Размер двумерных ковалентных органических каркасов увеличили до полутора микрон

Northwestern University

Американские химики впервые синтезировали плоские ковалентные органические каркасы в виде монокристаллов размером до 1,5 микрометра. Эти каркасы представляют собой бор-органические соединения с гексагональной структурой, напоминающей графен, но значительно большим размером пор, и раньше их удавалось получать только в виде поликристаллических порошков с размером кристаллитов в несколько десятков нанометров. Оптические свойства полученных кристаллов делают их перспективными материалами для органических оптоэлектронных устройств, пишут ученые в Science.

Все большее внимание последнее время уделяют различным типам плоских неорганических кристаллов — графену и его аналогам. Из-за двумерности эти материалы обладают необычными электронными свойствами и довольно перспективны для использования в качестве элементов различных электронных устройств.

Однако подобные кристаллические решетки можно получать не только из отдельных атомов, но и из достаточно крупных органических молекул. Такие соединения — ковалентные органические каркасы — представляют собой пористые структуры, которые, как правило, как и графен, обладают гексагональной симметрией. При этом за счет изменения единичных молекулярных блоков, образующих такую решетку, можно менять размер и форму пор, а таким образом контролировать оптические, электронные и транспортные свойства этих структур и удельную площадь поверхности. Однако практически всегда ковалентные органические каркасы удается получать только в виде порошков, состоящих из слипшихся наночастиц. Получать же из этих материалов монокристаллические протяженные двумерные пленки с контролем размера не удавалось.

Впервые решить эту проблему удалось американским химикам под руководством Уильяма Дичтела (William R. Dichtel) из Северозападного университета, использовав для этого метод двухстадийной полимеризации с одновременной кристаллизацией. Двумерную каркасную структуру химики синтезировали из двух типов органических блоков: 1,4-фенилен-бис-бороновой кислоты и гексагидрокситрифенилена. За счет образования сложноэфирной связи между гидрокси-группами трифенилена и бороновой кислотой эти блоки могут соединяться между собой в гексагональные решетки с периодом около одного нанометра.

На первом этапе полимеризации из небольшого числа молекул образуется частицы размером от 30 до 400 нанометров, состоящие из двумерных гексагональных решеток. На второй стадии полимеризации полученные нанокристаллы химики использовали в качестве затравки для дальнейшей кристаллизации: в раствор добавлялись новые мономеры, которые присоединялись к наночастицам, постепенно увеличивая их размер. При этом размер конечных частиц можно было контролировать, меняя скорость добавления мономеров.

По данным просвечивающей электронной микроскопии, с помощью предложенной методики удалось получить монокристаллические двумерные частицы размером от 300 нанометров до 1,5 микрометра. Поскольку одно из возможных применений этих материалов связано с оптоэлектронными устройствами, то ученые также исследовали оптические свойства полученных кристаллов. Данные нестационарной спектроскопии поглощения ковалентных органических каркасов, полученных новым методом, показали, что время жизни возбужденных состояний составляет порядка нескольких сотен пикосекунд, а длина диффузии экситонов — превосходит размер отдельных частиц в порошковых материалах.

По словам авторов работы, с помощью предложенного метода им впервые удалось получить кристаллы ковалентных органических каркасов достаточного качества, чтобы можно было проводить надежные оптические измерения. В будущем с помощью подобных измерений можно будет получать на основе этих соединений эффективные материалы для органических устройств для преобразования солнечной энергии. 

Увеличение длины диффузии экситонов в полупроводниковых органических материалов — одна из ключевых задач, решение которой позволит использовать эти материалы, например, для создания эффективных органических солнечных батарей. Например, недавно британские химики синтезировали полупроводниковые полимерные нановолокна, в которых смогли увеличить длину диффузии экситонов сразу в 20 раз, доведя ее величину до 200 нанометров.

Александр Дубов

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.