一直以來，含碳稠環(huán)鏈的有機材料都具有一些獨特的光電特性，可作為半導(dǎo)體材料使用。具體來說，這當(dāng)中一些被稱為蒽鏈的發(fā)光材料，可以通過調(diào)控進(jìn)而發(fā)射出不同顏色的光，正因為如此，這一類材料也成為了當(dāng)前有機發(fā)光二極管發(fā)光材料的候選者之一。

據(jù)了解，蒽鏈有機發(fā)光材料所發(fā)出光的顏色（或者波長）由其長度決定，但隨著分子鏈長度的持續(xù)變長，這種材料的穩(wěn)定性會變差，一直以來這一問題都阻礙著它們在眾多發(fā)光用例中的廣泛應(yīng)用。

針對此問題，麻省理工學(xué)院的化學(xué)家們現(xiàn)在提出了一種新的方法，他們通過讓這些發(fā)光分子更加穩(wěn)定，進(jìn)而實現(xiàn)更多不同長度蒽鏈發(fā)光材料的合成。使用他們所提出的新方法，這些研究人員成功合成了能夠發(fā)出紅色、橙色、黃色、綠色或藍(lán)色光的蒽鏈發(fā)光分子。結(jié)果顯示，這種新的方法將能夠大大推動蒽鏈發(fā)光材料在各種發(fā)光應(yīng)用中使用。

“這類分子，盡管他們的潛在應(yīng)用意義很大，但一直以來，它們的在反應(yīng)性方面還存在很大的挑戰(zhàn)，”麻省理工學(xué)院諾華化學(xué)副教授、這項新研究的通訊作者Robert Gilliard說：“我們在這項研究中試圖解決的問題首先是蒽鏈發(fā)光分子的穩(wěn)定性問題，其次，我們想基于此開發(fā)出更多發(fā)光波長或者顏色可調(diào)的分子化合物。”

據(jù)了解，麻省理工學(xué)院的研究人員Deng Chun Lin是這篇論文的主要作者，該論文發(fā)表在了《自然化學(xué)》期刊上。

可以發(fā)出各種不同顏色光的有機分子

Acenes（并苯）由苯分子組成——由碳和氫組成的環(huán)——以線性方式連接在一起。因為這種分子中，兩個苯環(huán)不僅富含可共享的電子，而且可以有效地傳輸電荷，所以它們常被用作半導(dǎo)體和場效應(yīng)晶體管（使用電場控制半導(dǎo)體中電流流動的晶體管）的制造。

最近的研究進(jìn)展表明，并苯中一些碳原子在被硼和氮元素取代或“摻雜”后形成的蒽分子材料具有更有價值的電子性質(zhì)。盡管如此，像傳統(tǒng)的蒽分子材料一樣，這些分子在暴露于空氣或光照環(huán)境中時是很不穩(wěn)定的。所以通常，蒽材料分子必須在一個稱為手套箱的密封容器中合成，以保護(hù)它們免受空氣暴露帶來的消極影響，因為暴露在空氣環(huán)境中會導(dǎo)致它們發(fā)生分解。一般情況下，蒽分子鏈越長，就越容易受到氧氣、水或光照環(huán)境引發(fā)的不必要反應(yīng)的影響。

為了讓這種蒽分子材料更穩(wěn)定，Gilliard決定使用他的實驗室以前研究過的一種配體，即碳二卡賓。在去年發(fā)表的一項研究成果中，他們成功使用這種配體來穩(wěn)定硼芴離子，這也是一種有機化合物，可以根據(jù)溫度變化發(fā)出不同顏色的光。

在這項研究中，Gilliard和他的合作者開發(fā)了一種新的材料合成方法，使他們能夠?qū)⑻级ㄙe添加到同樣摻雜有硼和氮的蒽材料中。隨著新配體的加入，蒽開始帶正電，這不僅能夠極大提高它們的穩(wěn)定性，還能夠賦予它們獨特的電子性質(zhì)。

使用這種方法，研究人員合成出能發(fā)出不同顏色光的蒽分子，具體發(fā)出什么光取決于它們的長度和附著在碳二卡賓上的化學(xué)基團(tuán)的類型。到目前為止，研究人員已經(jīng)合成的大多數(shù)硼、氮摻雜的蒽只能發(fā)射藍(lán)光。

“紅色光的發(fā)射對于眾多應(yīng)用非常重要，這其中就包括生物成像等，” Gilliard說：“許多人體組織會發(fā)出藍(lán)光，因此我們很難使用藍(lán)色熒光探針進(jìn)行成像，這也是人們尋找紅色發(fā)光材料的眾多原因之一。”

更好的穩(wěn)定性

這些并苯的另一個重要特征是它們在空氣和水環(huán)境中都能夠保持很好的穩(wěn)定性，具有低配位數(shù)的含硼帶電分子（意味著中心硼原子幾乎沒有相鄰原子）在水中通常高度不穩(wěn)定，因此蒽材料在水中的穩(wěn)定性是非常有意義的，未來人們可以將其用于生物成像和其他醫(yī)學(xué)應(yīng)用。

Gilliard說：“我們對本文中報道的這類化合物感到興奮的原因之一是它們可以懸浮在水中，這一點有助于我們開辟更為廣泛的應(yīng)用可能性。”

據(jù)介紹，研究人員現(xiàn)在計劃嘗試摻入更多不同類型的碳二卡賓，看看它們是否能創(chuàng)造出具有更好穩(wěn)定性和量子效率（衡量材料發(fā)出的光量）的額外蒽。

“我們認(rèn)為，未來有可能制造出更多我們目前甚至還沒有合成的不同衍生物，” Gilliard說：“實際上，關(guān)于這些材料的光電子特性，我們還有很多需要探索，對此我們也很興奮。”

另據(jù)介紹，Gilliard還計劃與麻省理工學(xué)院電氣工程教授Marc Baldo合作，嘗試將上述新的蒽發(fā)光材料集成到一種太陽能電池中，即單裂變太陽能電池。這種類型的太陽能電池可以從一個光子中產(chǎn)生兩個電子，使電池的效率高得多。

Gilliard說，這些類型的化合物也可以通過進(jìn)一步開發(fā)優(yōu)化，進(jìn)而用于電視和電腦等OLED顯示屏幕。這種有機發(fā)光二極管比傳統(tǒng)的LED更輕、更靈活，產(chǎn)生更明亮的圖像，并且消耗更少的電力。

Gilliard說：“無論是有機半導(dǎo)體、發(fā)光器件還是單重態(tài)裂變太陽能電池，我們目前都還處于開發(fā)特定應(yīng)用的早期階段。不過考慮到新材料的穩(wěn)定性，這些器件的制造應(yīng)該比這類化合物的典型制造要順利得多。”

中國科學(xué)院化學(xué)研究所副所長Tiow Gan Ong表示：“通過將反應(yīng)性零價碳和陽離子硼結(jié)合起來，這項創(chuàng)造性的工作與非傳統(tǒng)的范式無疑將為開發(fā)具有高度穩(wěn)定性發(fā)光材料以及能量收集器件鋪平了一條充滿希望的道路。”