近日，2020年度北京市科学技术奖项目奖评审结果出炉，清华大学化学系帅志刚教授主持的 “有机和碳材料中电荷输运的理论研究” 项目获2020年度北京市自然科学奖一等奖，获奖单位为清华大学、中国科学院化学研究所和首都师范大学。

新型有机和碳基材料中的电荷传输机理一直存在疑惑。2000年诺贝尔化学奖（导电高分子）的颁奖公告，采用Marcus电荷转移理论解释有机/高分子材料的导电现象，即局域化电荷(孤子或极化子)的热激活跳跃过程。但是从2006年到2009年，一批新的实验表明电导率在低温下并不消失，而是出现平台，与热激活模型矛盾。同时，基于Marcus理论所给出的电荷迁移率也明显低估了实验值，趋势也与实验不一致，从而阻碍分子设计。人们提出了包括一维强关联电子Luttinger液体在内的若干理论模型去解释实验结果，引发了激烈争论；而关于有机半导体中的载流子迁移率的同位素效应是正还是负的问，无论是实验还是理论都不明确，已经争论了50年！项目组考虑到碳原子的质量小，不仅仅会导致电子运动与原子振动紧密耦合，使得电子态出现局域化，同时还会表现出原子的量子涨落。据此，项目组推导了含原子量子涨落的电子转移速率公式，并提出了核隧穿驱动的电荷传输模型。该模型合理地解释了低温导电平台，同时指出同位素效应只能是负的：质量变大，量子涨落变小，从而驱动力变小。该模型被德国马普所所长Blom等人用于澄清高分子的电导之争，指出核隧穿驱动的极化子跳跃传输具有普适意义。同时，一批新的实验明确了同位素效应确实是负的，证实了项目组的理论预言。在此基础上，项目组发展考虑了电声子量子散射的迁移率计算方法，应用到碳基材料中，发现在石墨烯纳米带中电荷迁移率随纳米带宽度变化的尺寸效应，并指出新型碳材料石墨炔兼具高迁移率和直接带隙，是重要的电子材料；项目组还将计算方法应用到研究有机/高分子材料的热电转换，考察了化学掺杂对有机半导体能带结构、掺杂离子散射对电荷传输和热电转换的影响，计算得到的塞贝克系数得到多个实验组验证。

本项目得到国家自然科学基金委和国家科技部专项的支持。项目组将所发展的计算方法做成软件，得到来自哈佛、斯坦福等学者下载2600余次。2017年鸿之微（上海）科技有限公司将该程序商业化，目前国内外正式用户已达95家，包括11家海外用户。项目完成人应邀在第13届和第17届国际量子化学大会、第14届法国理论化学大会、第10届国际理论化学物理大会、以及国际合成金属大会上作全会特邀(Plenary)报告；由于在“电荷传输以及在理论化学领域的贡献”，获2012年中国化学会-阿克苏诺贝尔化学科学奖；由于在“激发态理论和2维材料领域开创性工作”，获2018年法国化学会“法-中讲座奖”；入选爱思唯尔2020年化学领域高被引作者。