中科院化学所陈建毅研究员、刘云圻院士，NC文章：气相诱导薄膜转化策略可以在多种衬底上制备二维有机框架材料薄膜- 大数跨境

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中科院化学所陈建毅研究员、刘云圻院士，NC文章：气相诱导薄膜转化策略可以在多种衬底上制备二维有机框架材料薄膜

科学材料站

2022-03-25

导读：该文章报道了一种气相诱导薄膜转化的策略，在化学气相沉积系统中，制备了大面积、厚度可控的COF薄膜

文章信息

通过气相诱导薄膜转化策略在多种衬底上制备二维共价有机框架薄膜材料

第一作者：刘明辉

通讯作者：陈建毅*，刘云圻*

单位：中国科学院化学研究所，中国科学院大学

研究背景

共价有机框架(COFs)是一类结晶多孔聚合物材料，由于其具有明确的孔隙度、高的比表面积，良好的化学稳定性和巨大的应用前景，受到广泛关注。然而。不同于传统的有机聚合物材料，该类材料不溶解、不融化，难以加工成高质量的薄膜，因此，限制了其在薄膜领域中的应用。

文章简介

基于此，来自中国科学院化学研究所的陈建毅研究员和刘云圻院士团队，在国际知名期刊Nature Communications上发表题为“Two-dimensional covalent organic framework films prepared on various substrates through vapor induced conversion”的研究文章。

该文章报道了一种气相诱导薄膜转化的策略，在化学气相沉积系统中，制备了大面积、厚度可控的COF薄膜。该研究结果为高质量COF薄膜的规模化制备和性能研究提供了一个切实可用的方法。

图1 气相诱导薄膜转化方法制备COF薄膜示意图，以及PyTTA-TPA COF的结构表征。

本文要点

要点一：热蒸镀法在衬底表面制备均匀的氨基前驱体薄膜

利用热蒸镀技术将1,3,6,8-四-(对胺基苯基)-芘（PyTTA）前驱体蒸镀到硅片、玻璃、铜箔、高定向热解石墨等生长衬底上。前驱体薄膜的厚度可以通过控制蒸发速度和蒸发时间进行控制。利用掩模版可以对前驱体薄膜进行图案化，这与目前的硅加工工艺兼容。

要点二：气相的醛基前驱体与固态的氨基薄膜前驱体发生反应

将1,3,6,8-四-(对胺基苯基)-芘（PyTTA）前驱体薄膜放到化学气相沉积系统的管式炉的中心，将另一种前驱体对苯二甲醛（TPA）放在系统前端，控制前驱体的温度，利用氩气或氢氩混合气，作为载气将气化的TPA传输到PyTTA表面进行气固反应。

要点三：水分子弱化前驱体分子间作用力，便于可逆反应

反应过程中，将水分子通过鼓泡方式，引入到反应系统中。理论计算表明气化的水分子可以插入到前驱体薄膜内，弱化分子间的作用力，便于前驱体分子转动，移动，从而调整方向，进行可逆反应，形成有序框架结构。

要点四：普适性

改变醛基前驱体的种类，例如，用2,2'-联吡啶-5,5'-二甲醛（BPyDCA），4,4'-联苯二甲醛（BPDA）代替对苯二甲醛（TPA），可以制PyTTA-BPyDCA COF和PyTTA-BPDA COF薄膜，说明该方法具有普适性。

要点五：在电子学器件和催化领域具有广泛应用前景

制备的PyTTA-TPA COF薄膜为p型半导体，电导大约为8.40 × 10^–6 S/cm，组装成场效应晶体管，器件开关比为10⁵，空穴迁移率为1.89×10^–3cm² V^–1 s^–1，相对于报道的其它希夫碱结构的COF材料，提高了近三个数量级。

由于该类COF薄膜具有大量的边界和氮活性位点，作为电催化析氢反应（HER）催化剂，也展现出高效的催化活性。在10 mA cm^–2的电流密度下，PyTTA-TPA，PyTTA-BPyDCA 和PyTTA-BPDA COF薄膜的开启电位分别为235，208，268 mV，过电位分别为359，315，438 mV，高于目前报道的一些非金属催化剂的性能。

文章链接

Two-dimensional covalent organic framework films prepared on various substrates through vapor induced conversion

https://www.nature.com/articles/s41467-022-29050-9

通讯作者简介

陈建毅 中科院百人计划，中国科学院化学研究所研究员，博士生导师。

从事新型二维纳米材料的制备和功能调控研究，开发了氧辅助成核法，两段生长法，近平衡生长法，限域生长法等制备方法，在硅片、玻璃、蓝宝石等衬底上直接构筑了石墨烯、二维过渡金属硫族化合物、金属-有机框架材料、共价金属有机框架材料等二维纳米材料薄膜；主要研究材料的电子输运性质，光电性质和电化学性质；在二维纳米材料薄膜的可控生长，大面积二维原子单晶的可控制备，晶体材料界面输运调控以及二维纳米材料结构与输运性质的关系等方面取得了重要进展。

目前已在Nat. Commun., PNAS, J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater.等国际重要期刊上发表40余篇研究论文，他引2700余次。

刘云圻 中国科学院化学研究所研究员，中国科学院院士，第三世界科学院院士。物理化学家，1949年2月生于江苏省靖江市。1975年毕业于南京大学化学系，1991年在日本东京工业大学获博士学位。

长期从事分子材料与器件的研究。总结发展了高性能分子材料的设计思想和提出了性能调控的新方法。证实了扩展π体系是实现高迁移率的重要途径，合成了具有优异光电性能的新型π共轭分子材料。首次提出了液态铜催化剂生长石墨烯的概念，获得了高质量单晶石墨烯；制备了第一个氮掺杂的石墨烯，实现了对石墨烯电学性能的调控；开拓了在介电层上直接生长石墨烯的新方法。揭示了界面对器件性能的影响规律，开发了新的溶液法加工技术，实现了器件的多功能化。

发表SCI论文700余篇(其中160余篇发表在影响因子大于10的期刊上)，他人引用4万余次，h因子大于100，获授权中国发明专利80项，出版专著一部及19章节，在国内外学术会议上做大会/邀请报告150余次。2007，2016，2019年获国家自然科学二等奖各一项，2017年度获北京市自然科学一等奖。2014-2021年入选汤森路透全球"高被引科学家"目录。

曾任科技部国家重点基础研究发展计划（973计划）重大科学前沿领域第四届专家咨询组副组长、有机固体专业委员会副主任，目前担任中国化学会理事、中国材料研究学会理事和Scientific Reports, Nanoscale, Flexible Printed Electronics，ACS Materials Letter等6种期刊的编委/顾问委员会成员。