不必摻雜就能導電的COF

共價有機框架(COF,covalent organic framework),是由有機建構單元透過強共價鍵連接而成的結晶性多孔聚合物,其中二維COF在電子元件和能源相關領域特別受到重視。然而,要讓COF導電並不容易:多數COF本身可自由移動的電荷載子太少,必須在合成後再做化學摻雜(例如加入碘或TCNQ)來提高載子濃度。這種「後摻雜」有三個代價。第一,摻雜劑帶進來的抗衡離子會占據孔洞,使孔隙度下降;第二,框架結晶性變差;第三,摻雜也常常不均勻。因此,若想保住結晶性與孔隙度,就需要不靠後摻雜、直接把載子放進骨架裡的新策略。一個可行的方向,是持久性的中性有機自由基。這類分子帶有一個未成對電子,能形成半填滿的能帶並提供自由載子,而且分子本身電中性,不需要抗衡離子來平衡電荷,因此長期被當成單一組分導體來研究。可惜大多數有機自由基是莫特絕緣體(Mott insulator),只有少數自旋高度離域的平面型自由基才有高導電度,其中最具代表性的是4,8,12-三氧代三角烯(trioxotriangulene,簡稱TOT)中性自由基,它的未成對電子離域在整個π電子系統上,因此在空氣中相當穩定,分子還能疊成一維π堆疊柱,柱內軌域重疊良好,室溫導電度可達約10-3 S/cm。然而,目前已報導的自由基COF用的都是自旋侷限(spin-localized)的基團,例如TEMPO或全氯三苯甲基。自旋高度離域的平面多環π自由基則從未被放進COF裡,雖然理論計算早已預測TOT自由基骨架會有不錯的導電與磁性表現,但始終沒有人真正做出來。

近日,西班牙聖地牙哥德孔波斯特拉大學與葡萄牙阿威羅大學的研究團隊,成功把TOT中性自由基組進以亞胺鍵(C=N)連接的二維COF,得到具半導體性質的TOT-COF。他們先以Buchwald–Hartwig偶聯反應,把TOT-Br3與二苯甲酮亞胺(benzophenone imine)接成TOT-(BPI)3,再用三乙胺處理成鹽[TOT-(BPI)3][NHEt3];把這個鹽水解後,就得到帶三個胺基的TOT-(NH2)3,而且水解過程中TOT會被空氣氧化成自由基。接著他們讓這兩種前驅物分別與含三個醛基的TFPT(2,4,6-tris(4-formylphenyl)-1,3,5-triazine)在150°C、空氣下進行72小時的溶劑熱反應(以氧氣作為氧化劑),得到深藍色粉末。由TOT-(NH2)3出發的TOT-COF-H,結晶性明顯高於由鹽出發的TOT-COF-L,兩者的BET比表面積分別為1259和1127 m²/g,加熱到360°C都不會明顯失重,ESR也證實自由基確實保留在骨架中。TOT-COF-H的室溫導電度為1.2×10-4 S/cm,比TOT-COF-L高了一個數量級,活化能只有241 meV;這個導電度是目前中性、未摻雜COF中最高的之一,而1.09 eV的能隙也是中性COF中最窄的之一。

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