近日，我校化学学院陈华杰教授课题组在化学类顶级期刊《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition, IF=16.823）发表题为《N-杂非交替纳米带及其突出的非线性光学性能》“N-Doped Nonalternant Nanoribbons with Excellent Nonlinear Optical Performance”的研究论文。化学学院硕士研究生宋影为论文第一作者，我校陈华杰教授、中国科学院理化技术研究所孙继斌副研究员与剑桥大学曾维轩博士为共同通讯作者，我校为论文的第一单位。
有机π-共轭材料以其独特的电子离域体系、结构与性质易调等优势，在光限幅、全光开关、光通信以及数据存储等非线性光学(NLO)领域中具有广阔的应用前景。线性并苯类稠环是一类经典的有机π-共轭材料，被广泛地用于有机场效应晶体管、有机发光二极管以及有机光伏等器件中。然而，随着共轭长度的增加，线性并苯类稠环展现出一定的共轭二烯烃性质，导致该类分子的化学稳定性变差。同时，大尺寸线性并苯类稠环分子面临着分子间聚集强、溶解性差以及溶液合成难的挑战，因而限制这该类分子在NLO领域的应用。将五元环植入线性并苯类稠环骨架中，构建非交替共轭骨架，可有效提升其化学稳定性，并赋予非交替共轭分子独特的光电磁性质。因此，开发稳定、可溶解的非交替共轭分子及其大尺寸非交替纳米带材料为实现线性并苯类稠环分子体系在NLO领域的应用提供了解决方案。
基于此，该研究采用酮胺缩合策略，构建一类稳定、可溶解的N-杂非交替纳米带分子(NNNR-1和NNNR-2)，并首次将该类材料应用于NLO领域中。研究发现：1) NNNR-1和NNNR-2的分子长度分别达2.25和3.38 nm。其中，NNNR-2为目前报道的分子长度最长的可溶解N-杂非交替纳米带；2) 大体积的三蝶烯端基和三异丙基硅基取代有效地抑制了纳米带分子间的聚集，进而提升了材料的溶解性；3) 吸电特性的吡嗪杂环、噻二唑杂环以及五元环提升了纳米带分子的电子亲和力，使得该类材料具有低的HOMO (< –5.87 eV) 和LUMO (< –3.57 eV) 能级，因而提升了材料的抗氧化能力；4) 多重五元环的植入有效地阻断了线性并苯类稠环的全局芳香性，实现了基态与激发态兼具的局域芳香性，因而提高了π-共轭系统的稳定性。得益于大的共轭骨架和好的化学稳定性，NNNR-1和NNNR-2展现出反饱和吸收NLO光学性能。在532 nm的激光脉冲作用下，13元稠环体系NNNR-2的三阶NLO吸收系数达374 cm GW–1，是8元稠环体系NNNR-1（96 cm GW–1）的3.9倍，显著高于该测试条件下的经典NLO材料C60（153 cm GW–1）。综上，该研究工作不仅展示了一种新型的N-杂非交替纳米带的分子模型，且为构建高性能NLO器件提供了全新的材料体系，为创造更多的光电磁性质集成的有机π-共轭材料提供了新的研究思路。
图1. N-杂非交替纳米带的分子结构与NLO性能
该研究得到了国家自然科学基金面上项目、湖南省教育厅重点项目和玛丽·居里（Marie Sklodowska-Curie）研究计划的支持。陈华杰教授课题组从事新型有机/聚合物功能π-共轭体系的设计、合成及其光电磁功能特性的应用研究，以第一作者/通讯作者身份在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Edit., Adv. Mater., Adv. Funct. Mater., Matter, Macromolecules等知名期刊上发表论文40余篇。
通讯员：化学学院