二维半导体纳米材料凭借其独特的层状结构和优异的光电特性，在光电能源器件中展现出广阔的应用前景。然而，传统二维有机半导体由于分子堆积无序、迁移机制受限、激子束缚能大以及激子寿命较短等固有缺陷，导致其能量传输尺度普遍远小于光学吸收深度，从而严重阻碍了其实际应用。
加拿大维多利亚大学Ian Manners教授课题组提出并发展的“活性结晶驱动自组装”手段，作为一种溶液相种子增长的精准合成策略，为制备具有高度有序内核的二维片状纳米结构提供了可靠的解决方案，并实现了对其尺寸和功能的精确调控（Chem. Sci. 2021, 12, 4661）。然而，将这一策略拓展至半导体型共轭聚合物体系仍面临显著挑战：长链共轭骨架间强力且单向的π–π作用导致其天然倾向于形成一维结构；现有报道中，共轭聚合物二维组装体的结构有序性不足，或规避了π轨道堆叠，显著削弱了能量传导能力（Nat. Rev. Mater. 2021, 6, 7）。因此，构筑尺寸均一、结构有序并具备有效π轨道堆叠的二维纳米材料，已成为提升其能量传输尺度并推动光电子器件应用的关键科学问题。
基于上述背景，中国青年学者蔡建东博士在Ian Manners教授课题组开展博士后研究期间取得重要进展，开发了半导体型共轭聚合物可控二维活性生长的方法，构建了电子耦合、高度有序的结晶内核，形成了激子能量运输的长程二维通道，实现了从中心内核到远端壳层的高效能量转移。相关成果发表在Nature Materials 上，蔡建东博士担任第一作者兼通讯作者，共同一作包括Xian Wei Chua、李晨、Jeannine Grüne，共同通讯作者还包括英国剑桥大学Akshay Rao教授。
矩形纳米片的可控制备
作者立足于共轭聚合物聚芴（PDHF）体系，开发了一种高温辅助的种子增长策略，有效增强了垂直于π–π堆积方向的烷基链堆积，实现了同步的双轴生长，从而成功构筑出尺寸均一的矩形纳米片（图1）。二维结构的面积可以通过投入的聚合物与种子的质量比进行精准预测，顺序加入不同批次的聚合物可以制备得到具有同心环绕特征的嵌段片状纳米结构。
图1. 种子增长策略精准制备矩形纳米片。图片来源于Nat. Mater.
高度有序的结晶内核
通过高分辨成像技术，作者揭示了结晶内核高度有序的类鱼骨状分子排列（图2）。在长度生长方向，共轭骨架通过V型π-π堆积构筑锯齿状阵列；在宽度方向上，共轭骨架则借助烷基链的有序连接而保持彼此平行。同时，溶剂舒展的壳层链段分布于二维片状胶束的上下表面，为整体结构提供了胶体稳定性。
图2. 结晶内核类鱼骨状分子排列。图片来源于Nat. Mater.
各向异性的长程激子传递
电子耦合、高度有序的结晶内核为激子扩散提供了理想的传输通道（图3）。作者通过定向追踪单个片晶结构的能量传导途径，揭示了其各向异性的长程激子传输特性，凸显了有序分子堆积和高效π轨道堆叠的关键作用。具体而言，沿π–π堆叠方向和烷基链堆积方向的激子扩散系数(D)分别达到了2.56 cm2/s和1.57 cm2/s, 扩散长度(LD)分别高达522 nm和409 nm。这些性能指标显著优于传统有机半导体薄膜（D = ~10-4–10-3 cm2/s，LD = ~5–20 nm）和单晶材料（LD = ~20–100 nm），甚至可与二维过渡金属二硫属化物（如MoS2, D = 1–10 cm2/s，LD = ~100–500 nm）相媲美，充分展现了其作为新型半导体材料的巨大潜力。
图3. 结晶内核长程激子扩散。图片来源于Nat. Mater.
远程跨区的高效能量转移
基于所揭示的长程激子扩散特性，作者在定制的同心嵌段纳米片结构中搭建了跨区的能量输送途径（图4）。该同心结构由PDHF结晶内核贯穿整体，壳层分区包括中心能量绝缘层和外围能量接收层。能量自中心激发后可在结晶核内二维扩散、无阻传导数百纳米，并进一步转移至外围壳层的能量接收端，由此实现高效定向的能量传递。
图4. 同心纳米片跨区能量转移。图片来源于Nat. Mater.
总结与展望
作者提出了一种制备二维有机半导体的溶液种子增长策略，实现对矩形纳米片的尺寸和分段结构的精细调控。其高度有序的结晶内核展现出优异的各向异性激子扩散特性，有望在光电子学、传感及光催化等领域发挥应用潜力。该项工作由加拿大维多利亚大学、英国剑桥大学和上海交通大学合作完成。作者诚挚感谢Ian Manners教授多年来的悉心指导，并将这项工作谨献于对他的追思。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
Uniform conjugated polymer rectangular platelets exhibiting long-range exciton diffusion
Jiandong Cai, Xian Wei Chua, Chen Li, Jeannine Grüne, Pratyush Ghosh, Yuanfei Ding, Harvey K. MacKenzie, Huibin Qiu, Neil C. Greenham, Akshay Rao & Ian Manners
Nat. Mater., 2025, DOI: 10.1038/s41563-025-02336-1
作者介绍
蔡建东，2020年于中国科学院上海有机化学研究所获博士学位，师从邱惠斌教授（现就职于上海交通大学）。他先后于上海交通大学、加拿大维多利亚大学和香港大学从事博士后研究。研究兴趣聚焦于聚合物组装体的精准制备与功能探索，涵盖表面纳米功能化、胶体组装及二维有机半导体等方向。以第一作者在Science, Nat. Mater., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed.等期刊发表多篇研究论文。
Ian Manners，世界知名无机、高分子及材料化学家，加拿大皇家科学院院士、英国皇家学会院士及欧洲科学院院士。1990–2006年，他在加拿大多伦多大学先后担任助理教授、副教授及正教授，并获授加拿大研究主席(Canada Research Chair)称号。2006–2019年，在英国布里斯托大学担任欧盟玛丽•居里讲席教授（EU Marie-Curie Chair）。自2018年起，在加拿大维多利亚大学担任讲席教授，并获授加拿大150研究主席(Canada 150 Research Chair)称号。在他33年的教职生涯中，已培养硕士、博士及博士后研究人员逾150名，其中50余人现任职于全球知名高校与研究机构，包括20余人受聘于中国高校。研究兴趣聚焦于从1纳米到100微米尺度材料的精确合成及其应用，涵盖催化、聚合物合成与自组装等领域，具体包括主族元素底物的催化反应、金属基聚合物的设计与合成，以及活性结晶驱动自组装等方向。在Science/Nature子刊系列等国际知名期刊发表研究论文800余篇，H指数高达126。
