有机半导体的溶液可打印性，电学性能和环境稳定性大大有利于柔性照明和显示器以及透明太阳能电池等的商业应用。当前高性能有机半导体的分子设计通常采用多环芳烃及与其类似的杂原子取代基（通常为S，O，N，Se）。电子在扩展的π共轭体系上离域，当受到电场作用时赋予电荷迁移率。许多生物分子和天然衍生的生物活性化合物是π-共轭的。生物π共轭分子通常利用氢键来赋予多价相互作用，并通过π-π相互作用进一步稳定。尽管许多氢键有机半导体已见报道，没有直接的实验证据表明氢键参与载流固态电子器件中的长距离电子/空穴传输。最近，京都大学Shu Seki科研团队、伊利诺斯大学香槟分校Ying Diao科研团队及中国科学技术大学、浦项科技大学科研团队合作，发现一组抗癌植物生物碱及其衍生物，称为DNA拓扑异构酶I和II抑制剂，具有高度共面的共轭主链，并具有氢键供体和受体，有助于分子间电子耦合，从而实现在固态组件中有效的电荷传输。该成果以《Repurposing DNA-binding agents as H-bonded organic semiconductors》为题发表在Nature子刊Nature Communication上。![]()
从DNA拓扑异构酶抑制剂中发现了潜在的氢键有机半导体，其中一些的抗癌特性已经有了广泛研究，但未能通过临床试验。密度泛函理论（DFT）计算和UV-Vis光谱分析表明，玫瑰树碱，SN38、10-羟基喜树碱，阿霉素，乙磺酰胺和阿莫那肽具有类似于宽带隙有机半导体的电子结构，在溶液与薄膜中测得的带隙为2.5-3 eV，表明它们具有的高环境稳定性和光透性。玫瑰树碱由于其最高占有分子轨道（HOMO）和电极功函数之间的能级更佳而得到进一步研究。玫瑰树碱具有两种晶体多晶型物，两者均具有通过与π-π堆叠方向正交的氢键连接的π堆叠列。值得注意的是，在多晶型物II中，沿氢键方向计算出的空穴传输积分和预测的空穴迁移率分别达到16.9 meV和1 cm2V-1s-1，沿π-π堆叠方向分别为83.0 meV和3.7cm2V-1s-1。多晶型物I和II的比较表明，沿氢键合方向的电荷转移积分对于氢键对的分子平面间形成的二面角较为敏感，这是以前从未发现过的。多晶型物II中预测的高迁移率通过使用时间分辨微波电导率的本征电荷传输性质测量得到验证，沿着π–π堆叠方向的空穴迁移率高达6.5 cm2 V-1 s-1，沿着氢键方向为4.2 cm2 V-1 s-1。通过弯月面涂层制备的高取向，高结晶，纯相的多晶型物II薄膜，使π-π堆叠沿氢键方向的电荷传输得以分离。在场效应晶体管和化学传感器中进一步应用了玫瑰树碱薄膜，并实验证明了在干式固态电子器件中，在微米尺度上，沿氢键的长距离空穴传输。由于高陷阱密度和电荷注入，基于玫瑰树碱的OFET产生的空穴迁移率沿着π-π堆叠和氢键方向仅为1.3×10–3 cm2V-1s-1、0.4×10 –3cm2V-1s-1。图6.涂覆玫瑰树碱多晶型物II薄膜的OFET器件性能
https://www.nature.com/articles/s41467-019-12248-9#additional-information
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