二維共價有機框架材料（2D-COFs）是一種具有可設(shè)計的π電子骨架和高度有序的拓撲結(jié)構(gòu)的多孔二維層狀材料，其具有許多突出的性能，包括高的熱穩(wěn)定性，永久的孔隙率，大的比表面積，低的質(zhì)量密度等。2D-COFs的光電特性可通過選擇合適的單體組合來進行編輯。然而，2D-COFs通常是各向異性生長的，以固體粉末的形式存在，很難可靠地集成到器件中。
近日，南京大學化學化工學院襲鍇副教授課題組與物理學院、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院課題組跨學科合作，在二維共價有機骨架材料的設(shè)計合成和光電應(yīng)用研究中取得重要進展。該研究工作通過選擇合適的光活性COF單體的組合，在銅基石墨烯上合成了具有高度有序的供體-受體拓撲結(jié)構(gòu)的全新的光敏2D-COFs，并用得到的2D COFs-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備了高性能的光電探測器件（圖1）。
圖1. COFETBC-TAPT-石墨烯結(jié)構(gòu)的合成和器件的制備示意圖。
經(jīng)過一系列表征和測試，合成的2D-COFs具有高的結(jié)晶度，大的比表面積和高的熱穩(wěn)定性，并且和石墨烯很好地結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。同時，制備得到的光電探測器表現(xiàn)出了優(yōu)異的整體性能，在473 nm處的光響應(yīng)度高達為 3.2×107 AW-1，響應(yīng)時間約為1.14 ms。研究組將此結(jié)果與具有不同材料體系（例如量子點，納米線，鈣鈦礦，二維材料，有機光電材料等）的基于石墨烯的光電探測器進行了詳細的比較（圖2）。相比之下，COFETBC-TAPT-石墨烯光電探測器在光響應(yīng)性和響應(yīng)時間之間保持了良好的平衡，顯示出優(yōu)異的整體性能，并表現(xiàn)出通過改良單體組合進一步優(yōu)化的潛力，這表明COF是一個具有廣闊光電應(yīng)用前景的材料平臺。
圖2.COFETBC-TAPT-石墨烯光電探測器的響應(yīng)時間和與已報道的同類型探測器的性能對比。
此外，由于COFs具有高的表面積和極性選擇性，研究組還成功通過特定的分子可逆地調(diào)節(jié)了光電檢測器的光敏特性。該研究工作為構(gòu)建具有可編程材料結(jié)構(gòu)和多種調(diào)節(jié)方法的先進功能型器件提供了新的策略，為COF材料體系在光電子學和許多其他領(lǐng)域的應(yīng)用探索了道路。
相關(guān)工作以題為“Ultrahigh Responsivity Photodetectors of 2D Covalent Organic Frameworks Integrated on Graphene”的論文于2020年1月28日在Advanced Materials（先進材料）在線發(fā)表（DOI: 10.1002/adma.201907242），并被選為當期AM Inside Back Cover文章。南京大學現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學學院的博士研究生熊毅豐和化學化工學院的博士研究生廖峭波為該論文的共同第一作者，襲鍇副教授、詹鵬教授、徐飛教授、陸延青教授為論文通訊作者。該研究工作得到了國家杰出青年科學基金、科技部重點研發(fā)計劃以及南京大學研究生科研創(chuàng)新基金、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費等項目的支持或資助。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201907242
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