通过共晶化实现复杂非富勒烯受体分子的单晶生长

这对未来电子学为何重要

现代太阳能电池、传感器和微型光学器件的性能很大程度上取决于分子在晶体中的排列方式。然而，对于许多当前最强大的有机半导体来说，由于分子体积庞大且结构脆弱，生长大尺寸、完美晶体几乎不可能。本文展示了一种实用方法，能够诱导这些复杂分子——尤其是被广泛应用于太阳能电池的关键材料Y6及其近亲——形成高质量的单晶，从而为高效、柔性和微型化的光电器件打开新的可能性。

驯服复杂分子的挑战

用于前沿太阳能电池的有机分子通常被设计为同时承担多重功能：大量吸光、传输电荷，并能在常见溶剂中良好溶解以便成本低廉地加工。作为非富勒烯受体中的代表，Y6 具有用于吸光的长融合核心和用于改善溶解性的多条体积侧链。然而，正是这些侧链使得Y6分子难以整齐堆叠，而且该材料在相对较低温度下就会分解。因此，传统的晶体生长方法——无论是通过高温蒸发的气相生长，还是通过冷却液相慢速结晶——都无法产生大尺寸、良序的Y6晶体。

借助“帮手”构建晶体

作者借鉴了制药化学中的一个技巧：共晶化。与单独结晶Y6不同，他们将其与一个精心挑选的“添加剂”分子混合，作为结构伙伴。该添加剂具有可以与Y6端环面向面堆叠的平坦中心环，并且在生长温度下呈粘稠油状。两者在氯仿中共同溶解并轻微加热后，会组装成由交替排列的Y6和添加剂分子以严格1:1比例构成的新晶体。这些共晶体称为YACs，呈现出细长的针状条或超薄片状，其厚度可在仅18纳米到341纳米之间调控——仅相当于几十层分子厚度。

新晶体如何生长及其形貌

通过偏光光学显微镜、原子力显微镜和微电子衍射的组合，研究团队追踪了YACs的成核与生长过程。晶体从中心起点萌芽并向外径向扩展，像微观的星状放射般逐层堆积。结构分析显示，添加剂充当了Y6分子之间的桥梁，形成了一种新的耦合堆叠方式。Y6和平面添加剂的平坦部分形成紧密的面对面接触，而它们造成的额外间隙为Y6的长侧链留出空间而不破坏有序性。结果是一个有序但具有一定柔性的晶格，其中基本重复单元是以阶梯状背对背排列的Y6–添加剂对。

面向设计晶体的广泛适用配方

为验证该方法的通用性，研究者对十种不同对称性和侧链设计的Y6类受体分子以及另外两种具有合适平面环区和油状特性的添加剂应用了相同策略。在每一种情况下，他们都能够在多种基底上生长出形状明确的单晶，从条状到板片和块状不等；基底包括玻璃、柔性塑料、花纹硅片、金属箔，甚至狭窄毛细管的内壁。生长过程可以通过表面图案或受控光照引导，从而能够在选定区域“绘制”晶体阵列以便集成进器件。

光学特性与器件潜力

关键是，这些新晶体保留了原始分子的优良吸光与发光特性，同时获得了晶体的方向性有序。许多YACs展现出强烈的二次谐波生成效应，即将入射的某一波长光高效转换为波长减半的光（频率加倍）。这种非线性光学效应对紧凑型频率转换器和先进光子学器件非常有用。晶体对不同偏振方向的光响应不同，并能感测圆偏振光。基于YACs的演示器件可作为光电探测器，表现出偏振响应、近红外灵敏度，甚至具备单像素成像能力，暗示其在先进相机与传感器中的应用前景。

这项工作对未来的意义

通过引入经精心设计的伙伴分子，这项研究把先前无法结晶、结构拥挤的半导体转变为大尺寸且有序的单晶，同时保留了它们的电子性能。添加剂像脚手架一样既引导分子的堆叠方式，又缓解了由体积侧链引起的拥挤。由于该方法对多种非富勒烯受体和添加剂均适用，它提供了一种将复杂有机半导体转化为高质量晶体的通用配方。对于非专业读者而言，关键结论是：这一策略为更可靠、高效且多功能的有机光电器件铺平了道路——从更好的太阳能电池到超小型光学元件——通过为一些最有前景但难以驾驭的分子材料带来有序结构。

引用: Xu, Z., Tang, H., Luo, W. et al. Single-crystal growth of complex non-fullerene acceptor molecules via cocrystallization. Nat Commun 17, 3175 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69997-7

关键词: 有机单晶, 非富勒烯受体, 共晶化, 光电材料, 二次谐波生成