Angew. Chem. ：基于硼氮蒽的高性能有机光电材料

稠环芳烃（PAHs）在有机光电材料的发展中扮演着重要角色。近年来，人们通过以B-N共价单元替代其C=C等电子体的策略，发展了一类新型硼氮杂稠环芳烃（BN-PAHs），为材料性能的调控提供了更广阔的空间。与碳骨架相比，BN-PAHs表现出许多新颖独特的性质，在有机光电材料与器件领域备受关注。然而，对其光电性质的研究却远远落后于合成上所取得的成就，其在有机场效应晶体管（OFETs）器件中的电荷迁移率仍然较低（尚未超过0.5 cm² V^-1 s^-1）。能否基于BN-PAHs实现高性能有机光电材料（尤其是能和无定形硅媲美的迁移率超过1 cm² V^-1 s^-1的有机半导体材料）是这一领域备受关注的问题与亟待解决的挑战。

图1. 通过BN-PAHs的“边缘工程”实现高性能有机光电材料（图中扭转角是通过结构优化获得）

近日，南开大学王小野课题组提出了通过BN-PAHs的“边缘工程”来实现高性能有机光电材料的策略。基于硼氮蒽（BNA）骨架，作者设计合成了TPBNA和DPBNA分子。其中，基于DPBNA的单晶OFET器件空穴迁移率高达1.3 cm² V^-1 s^-1。这是目前报道的第一例迁移率可以超过1 cm² V^-1 s^-1的BN-PAH分子，使得BN-PAHs能够首次跻身于高迁移率有机半导体行列，证明了“边缘工程”对于挖掘BN-PAHs光电性能的重要价值。

图2. TPBNA（a-b）和DPBNA（c-d）的单晶结构及转移积分计算结果

在TPBNA的单晶结构中，外围四个苯基与BNA骨架之间的扭转角达到47.41°和35.20°。相比之下，DPBNA具有更好的平面性，扭转角减小到10.45°和7.68°，表现出典型的鱼骨状堆积。理论计算也显示其在两个方向上均具有较大的转移积分，这意味着DPBNA有望成为高迁移率半导体材料。

图3. DPBNA单晶形貌、结构表征以及OFET器件性能

作者进一步构筑了单晶OFET器件。TPBNA表现出典型的p型半导体传输性质，最大迁移率仅为1.85 × 10^-3 cm² V^-1 s^-1。而DPBNA则可生长为规则的二维六边形晶体，其单晶器件表现出电荷传输的各向异性，且b轴是最优的电荷传输方向，迁移率最高可达1.3 cm² V^-1 s^-1，这也是目前报道的迁移率最高的BN-PAH分子。此外，基于DPBNA单晶的光晶体管器件也表现出优异的光探测性能，其R_max，P_max，和D*_max分别达到4.3 × 10⁴ A W^-1，6.3 × 10⁸，1.7 × 10¹⁵ Jones，是目前报道的性能最优异的有机光晶体管之一。这是首例基于BN-PAHs的光晶体管器件，证明了BN-PAHs在光电器件领域广泛的应用潜力。

综上所述，作者通过“边缘工程”，首次实现了基于BN-PAHs的高性能有机光电材料与器件。基于丰富的BN-PAHs骨架，“边缘工程”策略将对从中开发高性能有机光电材料起到至关重要的作用。该工作将进一步促进硼氮杂稠环芳烃材料的发展，为未来开发高性能、多功能的有机光电材料与器件提供新的机遇。

论文信息

BN-Anthracene for High-Mobility Organic Optoelectronic Materials through Periphery Engineering

Wanhui Li,† Cheng-Zhuo Du,† Xing-Yu Chen, Lin Fu, Rong-Rong Gao, Ze-Fan Yao, Jie-Yu Wang, Wenping Hu, Jian Pei, and Xiao-Ye Wang*

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202201464