分子内非共价相互作用能够锁定平面构象，显著提升共轭骨架的共平面性和刚性，进而增强载流子的迁移率。这一特性已在有机太阳能电池、有机光电探测器及有机场效应晶体管等多个领域得到广泛应用，并逐渐成为设计高性能有机/高分子半导体材料的关键策略之一。然而迄今为止，尚未有可靠的方法能够直接表征薄膜体系中分子内非共价相互作用和相应构象的存在。
近日，ng28南宫孙向南研究团队发现含有较重元素（例如O···Se、O···S、N···S等）的分子内非共价相互作用的有机半导体，表现出显著增强自旋-轨道耦合强度，而自旋-轨道耦合强度正是决定有机半导体中自旋寿命的关键因素。基于这一发现，该团队创新性地以自旋寿命作为探针，结合电子顺磁共振技术和自旋阀器件，实现了对有机半导体薄膜中分子非共价相互作用和所对应不同构象的灵敏、可靠检测。这一方法已经在多种有机半导体材料中获得验证，是目前首例能够直接表征有机半导体薄膜中分子构象的可行方案，有望推动有机自旋电子学与电子学交叉前沿领域的学术研究和实际应用。该研究成果以Spin-lifetime probe for detecting intramolecular noncovalent interaction in organic semiconductors为题在线发表于Advanced Materials（DOI: 10.1002/adma.202410695）。ng28南宫特别研究助理杨婷婷、秦阳、博士生吴梦以及特别研究助理谷现荣为文章的共同第一作者，孙向南研究员为通讯作者。
图1. 自旋寿命探针探测有机半导体薄膜中的分子构象
此外，孙向南研究团队与中国科学院化学所刘云圻院士、郭云龙研究员团队合作，利用自旋寿命探针技术共同揭示了电子自旋与分子结构组成之间的耦合关系。通过在环化靛蓝单元边缘进行卤素取代，在不改变自旋寿命的情况下将载流子迁移率提高了十倍，实现了室温长达247 nm自旋扩散长度和8.7%的磁阻比。同时，在多种光电功能分子中证明了N原子在室温下表现出比H原子更强的自旋耦合，提出的共轭结构边缘重元素取代策略，为有机自旋输运材料的设计提供了新思路。该研究成果以Halogenated-edge polymeric semiconductor for efficient spin transport为题发表于Nature Communications（DOI: 10.1038/s41467-024-52770-z）。ng28南宫与化学所联合培养博士生杨学礼、郭安康和化学所博士生杨杰博士为文章共同第一作者，ng28南宫孙向南研究员、郭立丹副研究员以及化学所刘云圻院士、郭云龙研究员为文章共同通讯作者。
图2. 环化靛蓝聚合物的室温自旋输运和自旋弛豫机制
上述工作得到了中国科学院战略性先导科技专项、国家自然科学基金、北京市自然科学基金、北京市科技新星计划等项目的大力支持。
相关链接：http://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202410695
