有机半导体材料因具有来源广泛、结构灵活可调、易于大面积化、柔韧性好等优点，近年来引起了工业界和学术界极大的关注。作为薄膜器件，有机半导体材料在应用中大多为固体薄膜状态，器件的性能不仅取决于有机分子本身的结构和性质，与有机分子与电极之间的界面结构及物理化学特性也密切相关。研究有机分子在电极表面的堆积模式，揭示有机分子与电极之间的界面电荷转移机制，探索有机分子与电极间界面的结构与性能的联系，对有机半导体器件性能的提高及其设计构筑具有重要意义。 

　　在科技部、国家自然科学基金委及中国科学院的支持下，化学所分子纳米结构与纳米技术院重点实验室的研究人员长期致力于功能有机分子界面堆积结构及电学特性研究，他们利用原位高分辨的扫描探针显微技术，从分子层次上系统研究了富勒烯[J. Phys. Chem. C, 2010，114, 3170]、OPV衍生物[PNAS, 2010. 107: 2769；Chem. Commun., 2009. 3765]，双曲面石墨烯分子[PNAS, 2008. 105:16849]等的界面取向、堆积结构、以及电学特性。最近，研究人员以富勒烯-二茂铁复合物Fe(C₆₀Me₅)Cp为模型，从分子水平上研究了电子给体-受体化合物在电极界面的结构及其与电极间的原位电子转移过程，相关研究结果发表在近期的J. Am. Chem. Soc. 上。（2014, 136 (8), 3184–3191)  

　　富勒烯-二茂铁复合物Fe(C₆₀Me₅)Cp是一种典型的电子给体-受体化合物，利用原位电化学扫描隧道显微技术结合理论模拟，研究人员从分子水平上研究了Fe(C₆₀Me₅)Cp在电极界面的堆积结构及其与电极间的原位单电子转移过程。结果显示，在0.1HClO₄/Au(111)界面，Fe(C₆₀Me₅)Cp形成以分子二聚体为结构基元的线性结构，分子以反平行方式排列并通过偶极-偶极相互作用。在0.1NaClO₄/Au(111)界面，Fe(C₆₀Me₅)Cp形成六次对称的密排结构，在与电极间发生一个电子的氧化反应后，分子的前线轨道发生重排，使得氧化态的Fe(C₆₀Me₅)Cp分子在STM图像中表现出更高的亮度，从而可以在分子层次上对该单电子转移过程进行直接观察和研究（如图）。研究发现，吸附的Fe(C₆₀Me₅)Cp分子与电极间的电子转移速率较慢，并且，界面单分子层中分子的氧化并不是随机的，与氧化态分子相邻的Fe(C₆₀Me₅)Cp分子更容易失去电子，说明在吸附层内存在电荷扩散。该结果有利于对电子给体-受体化合物结构性能间的构效关系的理解，同时也为从分子水平研究电子给体-受体化合物的电子转移过程提供了一条有效的途径。 

　　图 单电子转移反应前后Fe(C₆₀Me₅)Cp分子的STM图像（上图）及分子前线轨道（下图）的变化 

　　分子纳米结构与纳米技术院重点实验室 

　　2014年3月4日