二維共價有機框架材料（2D-COFs）是一種具有可設(shè)計的π電子骨架和高度有序的拓撲結(jié)構(gòu)的多孔二維層狀材料，其具有許多突出的性能，包括高的熱穩(wěn)定性，永久的孔隙率，大的比表面積，低的質(zhì)量密度等。2D-COFs的光電特性可通過選擇合適的單體組合來進行編輯。然而，2D-COFs通常是各向異性生長的，以固體粉末的形式存在，很難可靠地集成到器件中。
近日，南京大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院襲鍇副教授課題組與物理學(xué)院、現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院課題組跨學(xué)科合作，在二維共價有機骨架材料的設(shè)計合成和光電應(yīng)用研究中取得重要進展。該研究工作通過選擇合適的光活性COF單體的組合，在銅基石墨烯上合成了具有高度有序的供體-受體拓撲結(jié)構(gòu)的全新的光敏2D-COFs，并用得到的2D COFs-石墨烯異質(zhì)結(jié)構(gòu)制備了高性能的光電探測器件（圖1）。
圖1. COFETBC-TAPT-石墨烯結(jié)構(gòu)的合成和器件的制備示意圖。
經(jīng)過一系列表征和測試，合成的2D-COFs具有高的結(jié)晶度，大的比表面積和高的熱穩(wěn)定性，并且和石墨烯很好地結(jié)合形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)。同時，制備得到的光電探測器表現(xiàn)出了優(yōu)異的整體性能，在473 nm處的光響應(yīng)度高達為 3.2×107 AW-1，響應(yīng)時間約為1.14 ms。研究組將此結(jié)果與具有不同材料體系（例如量子點，納米線，鈣鈦礦，二維材料，有機光電材料等）的基于石墨烯的光電探測器進行了詳細的比較（圖2）。相比之下，COFETBC-TAPT-石墨烯光電探測器在光響應(yīng)性和響應(yīng)時間之間保持了良好的平衡，顯示出優(yōu)異的整體性能，并表現(xiàn)出通過改良單體組合進一步優(yōu)化的潛力，這表明COF是一個具有廣闊光電應(yīng)用前景的材料平臺。
圖2.COFETBC-TAPT-石墨烯光電探測器的響應(yīng)時間和與已報道的同類型探測器的性能對比。
此外，由于COFs具有高的表面積和極性選擇性，研究組還成功通過特定的分子可逆地調(diào)節(jié)了光電檢測器的光敏特性。該研究工作為構(gòu)建具有可編程材料結(jié)構(gòu)和多種調(diào)節(jié)方法的先進功能型器件提供了新的策略，為COF材料體系在光電子學(xué)和許多其他領(lǐng)域的應(yīng)用探索了道路。
相關(guān)工作以題為“Ultrahigh Responsivity Photodetectors of 2D Covalent Organic Frameworks Integrated on Graphene”的論文于2020年1月28日在Advanced Materials（先進材料）在線發(fā)表（DOI: 10.1002/adma.201907242），并被選為當(dāng)期AM Inside Back Cover文章。南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的博士研究生熊毅豐和化學(xué)化工學(xué)院的博士研究生廖峭波為該論文的共同第一作者，襲鍇副教授、詹鵬教授、徐飛教授、陸延青教授為論文通訊作者。該研究工作得到了國家杰出青年科學(xué)基金、科技部重點研發(fā)計劃以及南京大學(xué)研究生科研創(chuàng)新基金、中央高；究蒲袠I(yè)務(wù)費等項目的支持或資助。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201907242
