高性能有机半导体是下一代电子产品的前沿需求，它一般需要比非晶硅（约0.5-1.0 cm2 V-1 s-1）更高的载流子迁移率。对于有机半导体而言，通常减少π-π堆叠距离和增加π-轨道重叠面积是提高载流子迁移率的有效策略。近年来，课题组发现由于平面型稠合大环的独特优势，其平均的分子间π-π堆叠距离在3.2 Å左右，是一种优异的有机半导体材料。然而，由于其巨大的合成挑战，关于其晶体管的研究并不是很多，已报道的最高晶体管迁移率为2.06 cm2 V-1 s-1。
近日，复旦大学刘云圻/陆雪峰团队设计合成了一系列硫族元素杂化的稠合大环NO、NS和NSe。首次系统研究了硫族原子工程对稠合大环的性质调节，包括了热稳定性、芳香性、电子结构特征、电化学和光物理性质、拓扑结构和晶体堆积方式、超分子化学性质和晶体管性质等方面。研究发现，这一系列分子展现出独特的晶体堆积方式：由于烷基支链参与了分子间π-π堆积，NO的迁移率最低（0.74 cm2 V-1 s-1）。NSe虽然没有分子间π-π相互作用，但是丰富的近程edge-to-face相互作用同样构建了高效的电荷通道，其迁移率最高到2.11 cm2 V-1 s-1。NS由于更加紧密的鱼骨型堆积方式，迁移率最高达到了3.13 cm2 V-1 s-1，是目前环状有机半导体材料的最高迁移率。
本研究中，硫族原子工程的调节使得稠合大环具有平面型的环状芳香骨架、独特的晶体堆积模式、以及精准调控的能级结构，其中，硫族原子工程和烷基侧链是调控分子拓扑结构、晶体堆积、以及半导体性能的决定性因素。NS突破了环状有机半导体的迁移率的新纪录。该工作不仅为有机半导体设计提供了原子工程的新指导，更进一步拓展了高迁移率的环状有机半导体材料体系。
该工作近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，复旦大学博士研究生张容和李文豪为共同第一作者，通讯作者为陆雪峰青年研究员和赵岩教授。
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.202501686
