纳米环有望成为未来有机电子最佳材料

中国粉体网讯    美国奥勒冈州大学(University of Oregon)的研究人员展示一种可利用各种不同原子制成的“纳米环”(nanohoop)，而不只是纯用碳进行制造。这种环形的纳米结构可用于为太阳能电池、OLED或传感器实现优化能源效率。

　　这种纳米环即“联苯纳米环”(cycloparaphenylene；CPP)化学分子，可被设计成更有效吸收和发射能量的材料。



掺杂氮原子的纳米环结构示意图。奥勒冈大学的研究人员展示结合氮原子与碳原子而成的纳米环，有助于提升能效与性能。

　　这项研究是由奥勒冈州大学教授Ramesh Jasti及其博士研究生Evan R. Darzi所主导，Evan R. Darzi的研究论文就是这项制造过程的概念验证，接下来还需要进一步的研究，才能完全掌握纳米环的各种影响与应用。

　　Jasti 表示，1nm的纳米环提供了新的结构类型，其尺寸介于长链聚合物与小型低量分子之间，因而能用于能量或光学组件。Jasti曾经在罗伦斯柏克莱国家实验室 (LBNL)分子工厂(Molecular Foundry)进行博士后研究，他在2008年时首次合成了这些分子类型。

　　“这些结构增加了研发工具，并提供制造有机电子材料的新方法，”Jasti解释：“这种环形化合物能够表现得像有几百个单位的聚合物一样，但其实只有大约6-8个单位左右。透过增加非碳的原子，让我们能够改变其光学和电子特性。”

　　这种纳米环具有可控制的能隙，因而能够解决在材料方面的挑战——其能量位于价电带与导电带之间，对于设计有机半导体来说至关重要。目前基于聚合物的长链材料效果最好。

　　“例如，如果能够控制能隙，那么就可以决定发光的颜色，”Jasti说。“在电子设备中，你可能还需要搭配能量水平与电极。而在太阳光电系统中，你想撷取的阳光也必须配合能隙，才能提高效率以及增强优化排列不同组件的能力。这些事情都取决于分子的能量水平。根据我们的研究发现所制造的纳米环越小，能隙就越小。”

　　为了证实这个方法可行，Darzi同时使用碳原子与氮原子合成多种纳米环，并观察其行为表现。“我们所展示的是这种带电荷的氮原子，它可让纳米环成为电子的受体，而其他部份成为电子的供体，”Jasti。

　　“除了纳米环的大小，这种加入其他元素(如氮)的作法，也赋予我们另一种操纵能量水平的方式。现在我们已经证实纳米环的特性可轻松地加以控制，而且，这些分子能够表现出类似导电聚合物的新一类有机半导体。利用纳米环，可以在环形结构中间加进其他东西，再加以掺杂使其改变特性或检测分析物。”

　　Jasti的早期研究在于让纳米环成为一种碳基化合物，而其团队的后续研究更着眼于独特且无法预期的电子与光学特性。