Cubic Nanogrids for Counterbalance Contradiction among Reorganization Energy, Strain Energy, and Wide Bandgap

带隙 半导体 材料科学 灵活性(工程) 有机半导体 GSM演进的增强数据速率 纳米技术 光电子学 聚合物 凝聚态物理 物理 复合材料 计算机科学 数学 电信 统计
作者
Yongxia Wang,Mingyang Fu,Xiaofei Zhang,Dong Jin,Shiyuan Zhu,Yucong Wang,Zhenyu Wu,Jianmin Bao,Xiaogang Cheng,Lei Yang,Linghai Xie
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry Letters [American Chemical Society]
卷期号:13 (19): 4297-4308 被引量:6
标识
DOI:10.1021/acs.jpclett.2c00827
摘要

Molecular cross-scale gridization and polygridization of organic π-backbones make it possible to install 0/1/2/3-dimensional organic wide-bandgap semiconductors (OWBGSs) with potentially ZnO-like fascinating multifunctionality such as optoelectronic and piezoelectronic features. However, gridization effects are limited to uncover, because the establishment of gridochemistry still requires a long time, which offers a chance to understand the effects with a theoretical method, together with data statistics and machine learning. Herein, we demonstrate a state-of-the-art 3D cubic nanogridon with a size of ∼2 × 2 × 1.5 nm3 to examine its multigridization of π-segments on the bandgap, molecular strain energy (MSE), as well as reorganization energy (ROE). A cubic gridon (CG) consists of a four-armed bifluorene skeleton and a thiophene-containing fused arene plane with the Csp3 spiro-linkage, which can be deinstalled into face-on or edge-on monogrids. As a result, multigridization does not significantly reduce bandgaps (Eg ≥ 4.03 eV), while the MSE increases gradually from 4.72 to 23.83 kcal/mol. Very importantly, the ROE of a CG exhibits an extreme reduction down to ∼28 meV (λ+) that is near the thermal fluctuation energy (∼26 meV). Our multigridization results break through the limitation of the basic positively proportional relationship between reorganization energies and bandgaps in organic semiconductors. Furthermore, multigridization makes it possible to keep the ROE small under the condition of a high MSE in OWBGS that will guide the cross-scale design of multifunctional OWBGSs with both inorganics' optoelectronic performance and organics' mechanical flexibility.
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