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南京大学袭锴课题组《Adv. Mater.》:在二维共价有机框架材料光电探测器方面取得重要进展
2020-02-14  来源:高分子科技

  二维共价有机框架材料(2D-COFs)是一种具有可设计的π电子骨架和高度有序的拓扑结构的多孔二维层状材料,其具有许多突出的性能,包括高的热稳定性,永久的孔隙率,大的比表面积,低的质量密度等。2D-COFs的光电特性可通过选择合适的单体组合来进行编辑。然而,2D-COFs通常是各向异性生长的,以固体粉末的形式存在,很难可靠地集成到器件中。

  近日,南京大学化学大发排列3学院袭锴副教授课题组与物理学院、现代工程与应用科学学院课题组跨学科合作,在二维共价有机骨架材料的设计合成和光电应用研究中取得重要进展。该研究工作通过选择合适的光活性COF单体的组合,在铜基石墨烯上合成了具有高度有序的供体-受体拓扑结构的全新的光敏2D-COFs,并用得到的2D COFs-石墨烯异质结构制备了高性能的光电探测器件(图1)。

图1. COFETBC-TAPT-石墨烯结构的合成和器件的制备示意图。

  经过一系列表征和测试,合成的2D-COFs具有高的结晶度,大的比表面积和高的热稳定性,并且和石墨烯很好地结合形成异质结构。同时,制备得到的光电探测器表现出了优异的整体性能,在473 nm处的光响应度高达为 3.2×107 AW-1,响应时间约为1.14 ms。研究组将此结果与具有不同材料体系(例如量子点,纳米线,钙钛矿,二维材料,有机光电材料等)的基于石墨烯的光电探测器进行了详细的比较(图2)。相比之下,COFETBC-TAPT-石墨烯光电探测器在光响应性和响应时间之间保持了良好的平衡,显示出优异的整体性能,并表现出通过改良单体组合进一步优化的潜力,这表明COF是一个具有广阔光电应用前景的材料平台。

图2.COFETBC-TAPT-石墨烯光电探测器的响应时间和与已报道的同类型探测器的性能对比。

  此外,由于COFs具有高的表面积和极性选择性,研究组还成功通过特定的分子可逆地调节了光电检测器的光敏特性。该研究工作为构建具有可编程材料结构和多种调节方法的先进功能型器件提供了新的策略,为COF材料体系在光电子学和许多其他领域的应用探索了道路。

  相关工作以题为“Ultrahigh Responsivity Photodetectors of 2D Covalent Organic Frameworks Integrated on Graphene”的论文于2020年1月28日在Advanced Materials(先进材料)在线发表(DOI: 10.1002/adma.201907242),并被选为当期AM Inside Back Cover文章。南京大学现代工程与应用科学学院的博士研究生熊毅丰和化学大发排列3学院的博士研究生廖峭波为该论文的共同第一作者,袭锴副教授、詹鹏教授、徐飞教授、陆延青教授为论文通讯作者。该研究工作得到了国家杰出青年科学基金、科技部重点研发计划以及南京大学研究生科研创新基金、中央高校基本科研业务费等项目的支持或资助。

  文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201907242

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