华南理工大学材料科学与工程学院/发光材料与器件国家重点实验室副教授李远课题组提出了一种基于“给体—受体”型“开壳自由基”电子自旋基态的分子设计策略，相关成果近日发表于《自然—通讯》。华南理工大学陈仲鑫博士为论文第一作者，李远副教授、黄飞教授和美国密西西比州立大学助理教授Neeraj Rai为通讯作者。

近30年来，有机半导体基光电材料经历了长足的发展，经典的“给体—受体”结构设计是实现窄带隙有机半导体最为重要和有效的策略之一。这类“给体—受体”有机半导体具有优异的稳定性，被广泛应用于有机光电、热电、光热转换、自旋电子学及荧光生物成像等众多前沿热门领域。关于有机半导体材料和器件的理论较为丰富，然而基于新原理开发新颖的有机光电材料是当前该领域的重点和热点。

近4年，李远课题组在设计和合成大量基于“给体—受体”结构的开壳型型窄带隙有机半导体的基础上，利用变温核磁共振、变温电子自旋共振、超低温和高温超导量子干涉仪、单晶X射线衍射、升华提纯实验，HPLC纯度验证，同分异构体对照等多种研究手段，在实验上对其电子自旋基态进行了严格的论证。

同时，借助经典自由基理论计算工具，对该系列分子的双自由基特征指数（Diradical character index，y₀) 计算表明，这类有机半导体的y₀值可在20%至40%之间有效调控，继续延长共轭可提升至66.5%。此外，研究者对基态的“单线态（S₀）—热激发三线态（T_t）能级”、NICS、ACID等进行了计算，进一步佐证了其开壳电子自旋基态结构。

据悉，“开壳自由基”分子因具有独特的物理化学性质，在有机光电子学、自旋电子学、生物医学及量子计算等多个领域具有潜在的应用场景。自1907年以来，大多数的“开壳双自由基”材料是基于多环芳烃、醌式对二甲苯醌等体系；目前，基于这类体系的材料的合成方法和应用不断取得新突破，而提升材料稳定性依然是该领域重要挑战之一。

该研究工作提出了一种基于经典“给体—受体”结构的稳定窄带隙“开壳自由基”的分子设计策略。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41467-021-26173-3