π共轭有机小分子和高分子是一类重要的光电材料，其光电性质不仅优异，而且易于调节，因此这类光电材料在显示、能源、传感、激光、生命健康领域应用广泛。中国科学院长春应用化学研究所刘俊课题组提出在π共轭有机小分子或高分子中引入硼氮配位键（B←N），大幅度降低小分子或高分子的LUMO/HOMO能级，因而发展出一类新型的n型有机小分子半导体和n型高分子半导体，为有机高分子半导体领域开拓出新的研究方向。这类含硼氮配位键的n型有机小分子和高分子半导体光电性质优异且可调，在有机光电器件中表现出优异的性能。例如，全高分太阳能电池的能量转化效率突破10%；全高分子室内光伏器件的能量转换效率超过25%；n型有机场效应晶体管的电子迁移率超过1 cm² V^–1s^–1。另一方面，为了进一步对含硼氮配位键的有机半导体材料进行理性分子设计，需要阐明硼氮配位键影响分子的电子结构和光电性质的科学本质。

针对这个问题，刘俊课题组在大尺寸稠环芳烃的不同位置引入两个B←N键，设计并合成了三个异构体分子，结合理论计算和实验结果，揭示了硼氮配位键影响分子的电子结构和光电性质的科学本质。他们发现，硼氮配位键主要影响相邻芳环的电子结构，而对不相邻的芳环的电子结构影响较小。虽然稠环芳烃中π电子是离域在整个分子骨架上的，但是硼氮配位键对于电子结构的影响是定域在相邻芳环上的。也就是说，硼氮配位键通过影响相邻芳环的电子结构，进而影响整个分子的电子结构，调控分子的光电性质。

由于硼氮配位键主要影响相邻芳环的电子结构，硼氮配位键位置异构化的三个异构体分子表现出明显不同的光电性质和有机光电器件行为。例如，P8-2BN-1,2和P8-2BN-1,3没有分子内电荷转移（ICT）特征，展现出近红外荧光；P8-2BN-1,4具有分子内电荷转移特征，但是没有荧光。将三个分子作为活性层制备有机场效应晶体管器件，P8-2BN-1,2 和P8-2BN-1,4展现出纯电子传输性质，P8-2BN-1,3展现出电子/空穴双极传输性质。

该工作揭示出硼氮配位键有机小分子和高分子半导体的科学本质，为对该类材料进行理性分子设计，调控光电性质，提高器件性能，提供了科学基础。

论文信息：

Isomers of B←N-Fused Dibenzo-azaacenes: How B←N Affects Opto-electronic Properties and Device Behaviors?

Yang Min, Chuandong Dou,* Hongkun Tian, Jun Liu,* and Lixiang Wang

Chemistry – A European Journal 

DOI: 10.1002/chem.202004615