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二维共轭聚合物（2DCPs）是由多股具有扩展面内π-共轭的线性共轭聚合物组成的新型有机（光电）电子晶体半导体聚合物。它们以2D π-共轭共价有机骨架为代表，通常π-共轭性差，载流子迁移率低。

基于此，德累斯顿工业大学冯新亮院士和董人豪研究员、德国马克斯·普朗克高分子研究所Hai I. Wang等人报道了两个基于酞菁的BBL（poly(benzimidazobenzophenanthroline)）-阶梯型晶体2DCPs（2DCP-MPc，M=Cu或Ni）的首个例子，它们具有独特的能带传输和优异的载流子迁移率。为优化2DCPs的共轭度，作者通过理论计算研究了具有代表性的模型化合物的各种共轭键，发现BBL-阶梯型结构具有离域π-电子和窄的最高已占据分子轨道（HOMO）-最低未占据分子轨道（LUMO）间隙。

在溶剂热条件下，作者通过对甲苯磺酸（PTSA）调控的八氨基酞菁金属(II)和萘四羧酸二酐的缩聚反应合成了2DCP-MPcs，其显示约1.3 eV的窄带隙。密度泛函理论（DFT）计算表明，层状堆叠的2DCP-NiPc和2DCP-CuPc的有效载流子质量（m*）分别为0.137m₀和0.172m₀，具有较强的色散价带和导带。太赫兹（THz）光谱显示了Drude-型电荷传输行为，室温散射时间高达76 fs。

此外，在2DCP-NiPc中，离域电荷传输加上较小的m*产生了极高的电子-空穴和迁移率，高达~970 cm² V⁻¹ s⁻¹，与晶体硅相当，并显著超过了已报道的1DCPs和2DCPs。温度相关的太赫兹光电导率测量显示，2DCP-MPcs的迁移率温度系数为负值（dμ/dT < 0），与声子散射受限带传输一致。该工作强调了有效共轭在增强2DCPs的电荷传输特性方面的关键作用，以及高迁移率2DCPs在未来（光电）电子学中的巨大潜力。

图文导读

图1. 酞菁基2DCPs的设计原理

图2. 酞菁基BBL-阶梯形2DCP-MPcs

图3. 2DCP-MPcs的能带图

图4. 2DCP-MPcs的光学吸收光谱和时间分辨太赫兹光谱

图5. 2DCP-MPcs的频率分辨太赫兹光电导性

总结

总之，作者在两个酞菁基BBL-阶梯型晶体半导体2DCPs中证明了高度离域的π-电子和色散电子带。它们具有1.3 eV的窄光学带隙和在室温下具有数百cm² V⁻¹ s⁻¹数量级的高电荷迁移率的带传输特性，显示了2DCPs在高性能有机（光电）电子学中的潜力。进一步努力开发高结晶或单晶2DCP-MPcs并将其分层成薄层，不仅可以基本理解结构-性能关系，而且还可以将高迁移率半导体2DCPs集成到有机（光电）电子和纳米电子器件中。

Exceptionally high charge mobility in phthalocyanine-based poly(benzimidazobenzophenanthroline)-ladder-type two-dimensional conjugated polymers. Nat. Mater., 2023, DOI: 10.1038/s41563-023-01581-6.

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