Ionenparen met goudcomplexen biedt een nieuw pad voor organische elektronica

Niet-gesubstitueerde π-elektronische systemen met uitgebreide π-vlekken zijn zeer wenselijk voor het verbeteren van het transport van ladingsdrager in organische halfgeleiders. Hun slechte oplosbaarheid en hoge kristalliniteit vormen echter grote uitdagingen in de verwerking en assemblage, ondanks hun gunstige elektronische eigenschappen. De strategische opstelling van deze moleculaire structuren is cruciaal voor het bereiken van krachtige organische halfgeleidende materialen.

In een belangrijke doorbraak, een onderzoeksteam onder leiding van professor Hiromitsu Maeda van de Ritsumeikan University, waaronder universitair hoofddocent Yohei Haketa van de Ritsumeikan University, professor Shu Seki van Kyoto University, en professor Go Watanabe van Kitasato University, heeft een nieuw organisatie van het elektronisch systeem ingezameld Gold (AU AU.^III) en benzoporfyrinemoleculen, waardoor verbeterde oplosbaarheid en geleidbaarheid mogelijk wordt.

De bevindingen van het onderzoek waren gepubliceerd Online in Chemische wetenschap.

π-elektronische systemen zijn moleculaire structuren met gedelokaliseerde π-elektronen, die voortvloeien uit de overlapping van π-orbitalen in geconjugeerde systemen. Deze systemen maken efficiënt ladingstransport met elektronische interacties mogelijk en worden meestal toegepast in organische halfgeleiders.

Hun toepassing wordt echter gehinderd vanwege hun lage oplosbaarheid. De onderzoekers gebruikten een nieuwe techniek met ionenparen van het op π-elektronische kationen gebaseerde systeem, dat de interacties voor oplosbaarheid verbetert en de elektrostatische afstoting vermindert terwijl ze in structuren stapelen.

“Lage oplosbaarheid van uitgebreide π-elektronische systemen is vaak een uitdaging bij het fabriceren van geassembleerde structuren voor organische elektronische materialen. In onze studie hebben we een nieuwe benadering geïntroduceerd om de oplosbaarheid van uitgebreide π-elektronische kationen te verbeteren door ze te combineren met geschikte omvangrijke tegenans,” zegt loodauteur, prof. Maeda.

Lading gescheiden systemen zijn waar positief en negatief geladen π-elektronische moleculen verschillende moleculaire stapelopstellingen vormen. Dit zorgt voor efficiënte ladingoverdracht en geleidbaarheid.

Om deze lading-gescheiden systemen te bouwen, synthetiseerden de onderzoekers voor het eerst een benzoporfyrine au^III Complex, dat dient als een uitgebreid π-elektronisch kation. De uitbreiding van het π-systeem verhoogt de dispersiekrachten (zwakke intermoleculaire krachten die ontstaan ​​door een verandering in elektronenverdeling), die helpt de elektrostatische afstoting tussen identiek geladen moleculen te overwinnen.

Verder combineerden de onderzoekers deze uitgebreide π-elektronische kationen met omvangrijke tegenionen, waardoor oplosbare ionparen werden gevormd.

“We introduceerden vier verschillende omvangrijke tegenanions, waaronder PF₆^–Faba^–Barf^–en PCCP^–het evalueren van elk ionenpaar op hun structurele eigenschappen en geleidbaarheid, “meldt Dr. Yohei Haketa.

Op basis van het stapelen van de benzoporfyrin au^III Complex, de ionenparen worden geassembleerd in twee verschillende polymorfe toestanden: single-kristal en minder kristallijne (LEC) toestanden. De toestanden met één kristal werden gevormd in gecontroleerde kristallisatieomstandigheden en vertoonden een hoog-geordende stapel met een stijve kristallijne structuur.

Als alternatief vertoonden de LEC -toestanden, die werden gevormd via herkristallisatie in bepaalde oplosmiddelen, een minder geordende opstelling van de ionenparen. De structurele eigenschappen werden bevestigd door geavanceerde technieken, waaronder röntgendiffractie en NMR-metingen van vaste toestand, samen met moleculaire dynamica-simulaties.

“We hebben opgemerkt dat hoewel de pseudo -polymorfen verschillende structurele stacking vertoonden, beide soorten structuren elektrische geleidbaarheid vertoonden met instelbare geleidende eigenschappen, waardoor hun gebruik in een breed scala aan toepassingen mogelijk is,” legt prof. Maeda uit.

De bevindingen van het onderzoek waren opmerkelijk. De combinatie van de vlakke uitgebreide π-elektronische kation en omvangrijke anionen resulteerde in de vorming van oplosbare ionenparen, die op zijn beurt leidde tot de geordende opstelling van geladen π-elektronische systemen. De gevormde ionenparen kunnen daarom worden gebruikt voor een oplossingsverbeterde fabricage van geleidende materialen, waardoor nieuwe elektronische materialen en apparaten mogelijk zijn.

De studie maakt daarom de weg vrij voor oplossingsverwerkte geleidende materialen, die mogelijk kunnen leiden tot organische halfgeleiders van de volgende generatie. Bovendien zullen de onderzoekers zich richten op het verfijnen van moleculaire ontwerpen om ladingtransporteigenschappen te optimaliseren en toepassingen te verkennen in elektronische circuits, sensoren en energieopslagtechnologieën.

Prof. Maeda besprak de betekenis van hun bevindingen en merkte op: “Onze studie toont nieuwe aspecten van moleculaire assemblages en hun functionaliteiten door moleculair ontwerp en synthese, die essentieel zijn voor de toekomstige toepassingen van π-elektronische materialen.”

Voortbouwend op eerdere bevindingen, verlegt hun onderzoek de grenzen van moleculaire assemblage en elektronische materialen, waardoor de volgende generatie elektronische technologieën worden gevormd.