Angew.：河南大学徐尤智/刘琪团队，二维COFs在有机电子学的研究进展
Angew.：河南大学徐尤智/刘琪团队，二维COFs在有机电子学的研究进展
二维共价有机框架（2DCOFs）作为一类新型的结晶性多孔材料，近年来在有机电子学领域展现出巨大的应用潜力。河南大学徐尤智/刘琪团队在《Angewandte Chemie International Edition》上发表综述文章，系统总结了2DCOFs在有机电子学中的最新研究进展。文章从电荷传输机制、结构优化策略到实际应用等多个维度，全面阐述了2DCOFs在有机电子学领域的独特优势和未来发展方向。
全文速览
本文系统综述了二维共价有机框架（2DCOFs）在有机电子学中的最新进展。通过计算筛选和结构优化策略（如平面/层间电荷传输调控、拓扑设计、带隙工程与形貌控制），2DCOFs的导电性显著提升。研究进一步展示了其在有机场效应晶体管（OFETs）、忆阻器、光电探测器和气体传感器中的应用潜力，为下一代柔性电子器件设计提供了新思路。
背景介绍
传统有机半导体（如小分子和π共轭聚合物）因导电性低、结构无序等问题，限制了其在高性能电子器件中的应用。2DCOFs作为结晶性多孔材料，兼具可设计的π共轭网络、有序孔道和机械柔性，为解决上述瓶颈提供了可能。然而，其本征导电性不足仍是核心挑战。本文聚焦如何通过分子工程和器件设计优化2DCOFs的电子特性，并探索其实际应用。
图文解析
电荷传输机制
2DCOFs的电荷传输分为跳跃传输（Hopping）和类带传输（Band-like）。平面内通过共轭键高效传输，层间通过π-π堆叠实现各向异性传导（图1-图2）。层间距（d-spacing）是影响层间传输的关键因素，当d-spacing <4.0 Å时，类带传输占主导（图1d-e）。
图1 2DCOFs电荷及质量传输与聚合物、小分子半导体的对比
图2 (a)小晶畴半导体中的跳跃传输和(b)大晶畴半导体中的类带传输示意图。(c)硼酸酯、亚胺和烯烃连接2DCOFs的σ，(d) σ或(e) μ与层间距之间的关系。
拓扑与带隙调控
Lieb晶格拓扑（图4）因高能带色散特性，显著提升导电性；供体-受体（D-A）结构设计可缩小带隙（图5），增强电荷分离效率。
图4 拓扑结构对2DCOFs电学性能的影响
图5 带隙对2DCOFs电学性能的影响
形态调控
2DCOFs薄膜通常表现出优于2DCOFs微晶的导电性。
图6 2DCOFs薄膜合成
器件应用实例
- OFETs：全共轭2DCOF薄膜（如CuPc-AQ-COF）的载流子迁移率高达970 cm² V⁻¹ s⁻¹（图6k）。
图7 2DCOFs在OFETs中的应用
- 忆阻器：有序孔道调控导电细丝生长，实现多级存储与类突触行为（图11）。
图8 2DCOFs在忆阻器中的应用（导电细丝机制）
- 光电探测器：D-A结构增强载流子分离和定向传输，提高光电转换效率。
图9 2DCOFs在光电探测器中的应用
- 气体传感器：多孔结构增强气体吸附，柔性薄膜应用于可穿戴器件。
图10 2DCOFs在可穿戴气体传感器中的应用
总结与展望
2DCOFs凭借结构可定制性、高稳定性和多孔特性，在有机电子学中展现出独特优势。未来研究需关注：
- 电荷传输机制：结合霍尔效应与器件测试深入解析导电本质；
- 单层制备：开发高结晶度单层2DCOFs，探索拓扑电子态；
- 多功能集成：结合机器学习优化材料设计，开发柔性可穿戴器件；
- 环境耐受性：提升器件在复杂环境下的稳定性与选择性。
图11 2DCOFs的未来机遇与挑战
文献详情：
Two-Dimensional Covalent Organic Frameworks in Organic Electronics
Dr. Qi Liu, Qiang Li, Yu Li, Taotao Su, Binghan Hou, Yibo Zhao, Prof. Youzhi Xu
Angew Chem，2025
DOI：10.1002/anie.202502536