近日，湖南大学袁达飞教授关于重原子效应调控有机半导体的光电和热电性能，以“Regulating Optoelectronic and Thermoelectric Properties of Organic Semiconductors by Heavy Atom Effects”为题，在Small期刊上发表。文章的第一作者是湖南大学材料科学与工程学院硕士研究生何浩，通讯作者为湖南大学材料科学与工程学院袁达飞教授。
重原子效应可用于增强分子间相互作用、调节醌式共振特性、增加带宽并调节双自由基特性（图1），这些特性对有机光电器件（如有机场效应晶体管（OFETs）、有机发光二极管（OLEDs）、有机光伏电池（OPVs）等）具有显著影响。同时，研究表明重原子的引入可以促进电荷转移，增强空气稳定性，并改善有机热电材料（OTEs）中的器件性能。因此，重原子效应越来越受到关注。
图1 重原子效应。
在这篇综述中，作者讨论并总结了具有重原子效应的有机半导体在合成与应用方面的进展（图2）。重原子效应具有以下优势：首先，当重原子引入到共轭骨架中时，分子间的相互作用将更强。其次，重原子的较大原子轨道有助于更高效的电子轨道耦合，从而增大带宽。第三，与芳香共振结构相比，具有重原子的结构表现出更强的醌式倾向，使共轭骨架更具平面性。第四，重原子可用于调控双自由基特性，进而增加分子间的相互作用，并引发独特的自掺杂过程。近年来，重原子效应在多个领域得到了广泛应用。这篇综述特别聚焦于重原子效应对有机半导体的光电与热电特性的影响，以及其在OFETs、OTEs、OPVs和OLEDs等有机电子器件中的应用。例如：在OFETs中，引入重原子可以增强分子间的相互作用，有助于提高结晶度并形成有序堆叠，从而促进高效电荷传输通道的形成，提升载流子迁移率。此外，重原子的引入能够改变材料的能级，降低注入势垒。在OTEs中，重原子的引入有助于调节能级，促进有机半导体与掺杂剂之间的电荷转移，同时可以实现较深的LUMO能级，增强n型掺杂材料的空气稳定性。在OPVs中，重原子的引入能够钝化界面缺陷，从而提升开路电压（VOC）和填充因子（FF），并扩展吸收范围以捕获近红外光子，从而增加短路电流（JSC）。在OLEDs中，对于热活化延迟荧光（TADF）材料，重原子的引入可以降低S1和T1状态之间的能级差，促进反向系间窜跃（RISC）。最后，作者探讨了在先进电子器件中利用该效应所面临的挑战。
图2 这篇综述的大纲
文章链接为：https://doi.org/10.1002/smll.202405156