陈华杰教授课题组在《德国应用化学》发表最新研究成果

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，我校为论文的第一通讯单位。

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、全光开关以及光通信等非线性光学(NLO)领域展现出广阔的应用前景。线性并苯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光电器件中。然而，随着共轭长度增加，线性并苯稠环展现出一定的二烯烃性质，导致分子的稳定性变差。同时，大尺寸线性并苯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，因而限制了该类分子在NLO领域的应用。

基于此，该研究采用酮胺缩合策略，将多重五元环和氮杂环植入线性并苯稠环骨架中，构建一类稳定、可溶的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，大尺寸纳米带NNNR-2的分子长度达3.38 nm，为目前报道的最长的可溶解N-杂非交替纳米带。3D-构型分子骨架有效抑制了分子间聚集，进而提升了材料的溶解性。吸电特性的氮杂环和五元环降低了材料的HOMO (< –5.87 eV)和LUMO (< –3.57 eV)能级，因而提升了材料的化学稳定性。此外，多重五元环的植入有效地阻断了线性并苯稠环的全局芳香性，实现了基态与激发态兼具的局域芳香性，因而提升了π-共轭体系的稳定性。得益于以上优势，NNNR-1和NNNR-2展现出典型的反饱和吸收NLO光学性能。在532 nm的激光脉冲作用下，NNNR-2的三阶非线性吸收系数达374cm GW^–1，是NNNR-1的3.9倍，高于该测试条件下的经典材料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NLO领域应用提供了新的材料体系，为创造更多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-杂非交替纳米带的结构与非线性光学性能

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研究，近年来以我校第一通讯单位在J. Am. Chem. Soc.等顶级期刊上发表论文多篇，获北京市自然科学一等奖1项(我校排名2/4)。