The chemical variety present in the organic electronics literature has motivated us to investigate potential nonbonding interactions often incorporated into conformational "locking" schemes. We examine a variety of potential interactions, including oxygen-sulfur, nitrogen-sulfur, and fluorine-sulfur, using accurate quantum-chemical wave function methods and noncovalent interaction (NCI) analysis on a selection of high-performing conjugated polymers and small molecules found in the literature. In addition, we evaluate a set of nonbonding interactions occurring between various heterocyclic and pendant atoms taken from a group of representative π-conjugated molecules. Together with our survey and set of interactions, it is determined that while many nonbonding interactions possess weak binding capabilities, nontraditional hydrogen-bonding interactions, oxygen-hydrogen (CH···O) and nitrogen-hydrogen (CH···N), are alone in inducing conformational control and enhanced planarity along a polymer or small molecule backbone at room temperature.

Epitaxial heterostructures based on oxide perovskites and III–V, II–VI and transition metal dichalcogenide semiconductors form the foundation of modern electronics and optoelectronics1–7. Halide perovskites—an emerging family of tunable semiconductors with desirable properties—are attractive for applications such as solution-processed solar cells, light-emitting diodes, detectors and lasers8–15. Their inherently soft crystal lattice allows greater tolerance to lattice mismatch, making them promising for heterostructure formation and semiconductor integration16,17. Atomically sharp epitaxial interfaces are necessary to improve performance and for device miniaturization. However, epitaxial growth of atomically sharp heterostructures of halide perovskites has not yet been achieved, owing to their high intrinsic ion mobility, which leads to interdiffusion and large junction widths18–21, and owing to their poor chemical stability, which leads to decomposition of prior layers during the fabrication of subsequent layers. Therefore, understanding the origins of this instability and identifying effective approaches to suppress ion diffusion are of great importance22–26. Here we report an effective strategy to substantially inhibit in-plane ion diffusion in two-dimensional halide perovskites by incorporating rigid π-conjugated organic ligands. We demonstrate highly stable and tunable lateral epitaxial heterostructures, multiheterostructures and superlattices. Near-atomically sharp interfaces and epitaxial growth are revealed by low-dose aberration-corrected high-resolution transmission electron microscopy. Molecular dynamics simulations confirm the reduced heterostructure disorder and larger vacancy formation energies of the two-dimensional perovskites in the presence of conjugated ligands. These findings provide insights into the immobilization and stabilization of halide perovskite semiconductors and demonstrate a materials platform for complex and molecularly thin superlattices, devices and integrated circuits. An epitaxial growth strategy that improves the stability of two-dimensional halide perovskites by inhibiting ion diffusion in their heterostructures using rigid π-conjugated ligands is demonstrated, and shows near-atomically sharp interfaces.

Moving charges with radicals Conducting polymers usually contain backbones with multiple bonds. After chemical doping to remove some of the electrons, charge carriers can move freely. These conjugated backbones can also make the polymers rigid and hard to process. Joo et al. synthesized a redox-active, nonconjugated radical polymer that exhibited high conductivity (see the Perspective by Lutkenhaus). The polymer has a low glass transition temperature, allowing it to form intermolecular percolation networks for electrons. Science , this issue p. 1391 ; see also p. 1334

Natural photosynthetic complexes accomplish the rapid conversion of photoexcitations into spatially separated electrons and holes through precise hierarchical ordering of chromophores and redox centers. In contrast, organic photovoltaic (OPV) cells are poorly ordered, utilize only two different chemical potentials, and the same materials that absorb light must also transport charge; yet, some OPV blends achieve near-perfect quantum efficiency. Here we perform electronic structure calculations on large clusters of functionalized fullerenes of different size and ordering, predicting several features of the charge generation process, outside the framework of conventional theories but clearly observed in ultrafast electro-optical experiments described herein. We show that it is the resonant coupling of photogenerated singlet excitons to a high-energy manifold of fullerene electronic states that enables efficient charge generation, bypassing localized charge-transfer states. In contrast to conventional views, our findings suggest that fullerene cluster size, concentration, and dimensionality control charge generation efficiency, independent of exciton delocalization.

Working toward fluoride batteries Owing to the low atomic weight of fluorine, rechargeable fluoride-based batteries could offer very high energy density. However, current batteries need to operate at high temperatures that are required for the molten salt electrolytes. Davis et al. push toward batteries that can operate at room temperature, through two advances. One is the development of a room-temperature liquid electrolyte based on a stable tetraalkylammonium salt–fluorinated ether combination. The second is a copper–lanthanum trifluoride core-shell cathode material that demonstrates reversible partial fluorination and defluorination reactions. Science , this issue p. 1144

Understanding the mechanisms of lithium-ion transport in polymers is crucial for the design of polymer electrolytes. We combine modular synthesis, electrochemical characterization, and molecular simulation to investigate lithium-ion transport in a new family of polyester-based polymers and in poly(ethylene oxide) (PEO). Theoretical predictions of glass-transition temperatures and ionic conductivities in the polymers agree well with experimental measurements. Interestingly, both the experiments and simulations indicate that the ionic conductivity of PEO, relative to the polyesters, is far higher than would be expected from its relative glass-transition temperature. The simulations reveal that diffusion of the lithium cations in the polyesters proceeds via a different mechanism than in PEO, and analysis of the distribution of available cation solvation sites in the various polymers provides a novel and intuitive way to explain the experimentally observed ionic conductivities. This work provides a platform for the evaluation and prediction of ionic conductivities in polymer electrolyte materials.

With the abundant variety and increasing chemical complexity of conjugated polymers proliferating the field of organic semiconductors, it has become increasingly important to correlate the polymer molecular structure with its mesoscale conformational and morphological attributes. For instance, it is unknown which combinations of chemical moieties and periodicities predictably produce mesoscale ordering. Interestingly, not all ordered morphologies result in efficient devices. In this work we have parametrized accurate classical force-fields and used these to compute the conformational and aggregation characteristics of single strands of common conjugated polymers. Molecular dynamics trajectories are shown to reproduce experimentally observed polymeric ordering, concluding that efficient organic photovoltaic devices span a range of polymer conformational classes, and suggesting that the solution-phase morphologies have far-reaching effects. Encouragingly, these simulations indicate that despite the wide-range of conformational classes present in successful devices, local molecular ordering, and not long-range crystallinity, appears to be the necessary requirement for efficient devices. Finally, we examine what makes a "good" solvent for conjugated polymers, concluding that dispersive π-electron solvent-polymer interactions, and not the electrostatic potential of the backbone interacting with the solvent, are what primarily determine a polymer's solubility in a particular solvent, and consequently its morphological characteristics.

Layered metal-halide perovskites, or two-dimensional perovskites, can be synthesized in solution, and their optical and electronic properties can be tuned by changing their composition. We report a molecular templating method that restricted crystal growth along all crystallographic directions except for [110] and promoted one-dimensional growth. Our approach is widely applicable to synthesize a range of high-quality layered perovskite nanowires with large aspect ratios and tunable organic-inorganic chemical compositions. These nanowires form exceptionally well-defined and flexible cavities that exhibited a wide range of unusual optical properties beyond those of conventional perovskite nanowires. We observed anisotropic emission polarization, low-loss waveguiding (below 3 decibels per millimeter), and efficient low-threshold light amplification (below 20 microjoules per square centimeter).