有机光电子学领域长期存在一个关键挑战：许多具有优异电学性能的有机半导体材料，在固态条件下光致发光（PL）量子产率显著下降，或几乎不发光，严重制约了其在生物成像、传感和发光器件等领域的应用。

针对这一瓶颈，清华大学深圳国际研究生院副教授徐晓敏团队与合作者提出了一种利用二维材料调控分子堆积方式的策略，成功激活了6,13-双（三异丙基硅乙炔基）并五苯（TPn）的光致发光性能，为有机光电器件的发展提供了新途径。

图1. 分子和晶体结构，以及异质结构的设计

研究团队以TPn为模型体系，选用单层二硫化钨（ML-WS₂）作为生长衬底，基于其在二维过渡金属硫属化物（TMDCs）中较大的光学带隙，可与TPn形成I型能级排列。通过热蒸发沉积技术，在化学气相沉积（CVD）生长的ML-WS₂薄片上制备了厚度可调控的TPn薄膜，构建了TPn/ML-WS₂异质结构（图1）。

图2. TPn/ML-WS2异质结形貌和性能表征

研究团队发现，原子力显微镜（AFM）表征显示，TPn分子在WS₂衬底上表现出显著改善的浸润性，形成了更平坦的表面形貌和更大的晶畴，而X射线衍射（XRD）图谱证实了异质结构的完整性，未出现新相（图2b-c）。随后，研究团队通过光致发光（PL）光谱分析显示，ML-WS₂出现了TPn的发射峰，这与TPn在体相晶体中的非发射性形成鲜明对比（图2d）。发射峰具有振动结构，排除了界面电荷转移激子的可能性，表明发射源于界面TPn分子的独特堆积基序。

图3. 微观结构表征

AFM精细表征表明，界面TPn层厚度为0.8 nm，小于体相TPn的单分子层高度（1.63 nm），证实了单分子层结构。随着膜厚增加，分子取向从界面倾斜式逐步转向体相站立式，第五层厚度骤增至1.74 nm，体现了堆积基序的转变（图3a-f）。

图4. 倒置ML-WS₂/TPN异质结形貌和性能表征

为进一步明确分子堆积对发光特性的决定性作用，研究团队构建了倒置异质结构（ML-WS₂/TPn），将剥离的ML-WS₂转移到预生长的TPn微晶上。结果发现，倒置结构中ML-WS₂的PL完全猝灭，但未观察到TPn的发射峰，这与TPn/ML-WS₂结构形成鲜明对比，证明发光特性由界面分子堆积控制，而非体相性质。长期稳定性测试表明，TPn/ML-WS₂异质结构的PL强度在环境条件下无显著衰减，表明其具有良好的实用潜力（图4a-g）。

图5. ML-WS₂上TPN及其分子−底物结合能的密度泛函计算

图6. TPn/ML-WS₂异质界面的电子结构

研究团队运用密度泛函理论（DFT）计算，进一步揭示了TPn在WS₂表面的堆积偏好，并运用紫外光电子能谱（UPS）测量、时域密度泛函理论（TD-DFT）计算印证了研究的可行性（图6a-d）。

本研究表明，通过二维半导体衬底调控有机分子的界面堆积基序，可抑制单线态裂变，激活弱发光材料的光致发光特性。该策略具有普适性，可拓展至其他并苯衍生物体系，为设计高性能光电子器件和传感平台提供了新思路。

该成果近日以“解锁6,13-双（三异丙基硅乙炔基）并五苯的光致发光：通过二维材料衬底调制的分子堆积抑制单线态裂变”（Unlocking Photoluminescence in 6,13-Bis(triisopropylsilylethynyl)pentacene: Singlet Fission Mitigation by 2D Material-Controlled Molecular Packing）为题，发表在《美国化学会·纳米》（ACS Nano）上。

论文第一作者为清华大学深圳国际研究生院2025届博士毕业生程志超、2024届博士毕业生郑晗、2025届博士毕业生郭竟和苏州大学功能纳米与软物质研究院（FUNSOM）博士后王琪。徐晓敏、清华大学深圳国际研究生院副教授余旷为该论文通讯作者。苏州大学功能纳米与软物质研究院斯蒂芬·杜姆（Steffen Duhm）教授以及柏林洪堡大学诺伯特·科赫（Norbert Koch）教授对本研究提供了帮助和支持；深圳国际研究生院2023级硕士生陈兰子在TD-DFT计算方面提供了协助。

该研究得到了国家自然科学基金、国家重点研发计划纳米前沿专项、深圳市科技创新委员会优秀青年项目、深圳市高层次人才团队项目以及广东省创新创业团队计划等的支持。

原文链接：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c07029

供稿：陈凯轩

编辑：叶思佳

审核：林洲璐