显示技术是当今世界电子信息产业的重要支柱和我国重点发展的战略性新兴产业之一。有机发光晶体管作为最小的有机光电集成器件，其同时结合了有机场效应晶体管的开关和信号放大机制以及有机发光二极管的发光显示功能，具有集成度高、功能性强、制备工艺简单等优势，是下一代变革性平板显示技术的有力竞争者和理想器件基元。然而，在有机半导体中同时提高载流子迁移率和发光效率是极具挑战性的，活性层的显著匮乏限制了高性能有机发光晶体管的发展。因此，迫切需要探索有效的分子设计策略和潜在机制，以开发同时集成高效载流子输运和强发射的高性能多功能半导体，这对于实现下一代发光显示技术至关重要。与有机小分子半导体相比，聚合物半导体具有灵活可调的光电性能和多样化的结构设计，结合可溶液法加工特性使得其更容易被用于制备大面积均匀薄膜器件。高迁移率发光n-型聚合物半导体是有机光电器件必不可少的材料，但由于缺乏具有优异物理化学性质的缺电子构筑单元，这使得高迁移率发光n-型聚合物半导体的发展远落后于p-型和双极型同类材料。
鉴于此，中国科学院化学研究所刘云圻院士、郭云龙研究员及复旦大学赵岩教授通过将具有高效载流子传输的吡咯并吡咯二酮（DPP）与强发光的苯乙烯（PPV）整合到一个分子体系中，开发了一种新型强吸电子受体单元，2,5-二烷基-3,6-双((E)-2,3,5,6-四氟苯乙烯基)-2,5-二氢吡咯并[3,4-c]吡咯-1,4-二酮（TFBVDPP），并发展了一系列全受体型聚合物。结合实验与理论计算表明，优化分子内/分子间的堆叠以实现高效的载流子传输，同时在骨架上附着强吸电子基团并抑制非辐射跃迁以实现强发射，是实现高迁移率发光n-型聚合物半导体的关键。相关工作以题为“High-Mobility Emissive n-Type Polymer Semiconductors: Strong Synergy of Efficient Carrier-Transporting Diketopyrrolopyrrole and Intense Light-Emitting Phenylene-Vinylene”的论文发表在《Advanced Functional Materials》上，文章共同第一作者为中国科学院化学研究所博士后陈金佯和复旦大学博士后王思纯，本研究得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划和中国科学院的大力支持。
该项研究工作中TFBVDPP单元在设计上巧妙地结合了DPP和PPV的化学修饰位点与结构优势，并通过多氟原子功能化，其展现出了比一系列经典的酰亚胺基受体单元更强的吸电子特性。特别是，相比于其他代表性的DPP类受体，TVDPP具有更高的HOMO能级和更窄的带隙，TFBVDPP表现出更低的LUMO能级、扩展的π电子离域以及更优的分子共平面性。进一步地，他们通过钯催化的Suzuki偶联反应合成了三种基于TFBVDPP的全受体型聚合物。
图1. 高迁移率发光n-型聚合物半导体的分子设计策略
通过理论计算、吸收和荧光光谱、电化学分析和同步辐射研究发现在DPP单元与噻吩取代基之间引入乙烯基桥诱导了多重分子内/分子间非共价相互作用，不仅促进了有序分子组织的形成和紧密的π-π堆积，而且显著降低了光学带隙，同时提升了共轭主链的共平面性，这有助于提高载流子输运。通过直接均聚TFBVDPP受体单元，有效地抑制了非辐射跃迁，在保持高电子传输的同时提升了其发光性能。此外，聚合物P3的静电势图也预测了其n-型输运行为。制备了顶栅底接触型有机场效应晶体管器件来研究其电学性能，聚合物P1和P2均表现出理想的双极性传输行为，空穴/电子迁移率分别高达4.6/3.7和3.7/3.1 cm2 V−1 s−1，证明了乙烯基桥的引入有效地促进了载流子传输并显著提高了器件的稳定性。此外，强发射聚合物P3集成了优异的单极性电子迁移率（μe）和高的量子产率（Φ），其Φ · μe值超过10−2 cm2 V−1 s−1，较已有报道的n-型聚合物半导体提升了至少三个数量级。总结与展望：研究者利用具有高效载流子传输特性的DPP与强发光的PPV单元的强协同作用，开发并证明了TFBVDPP是实现高性能双极性和n-型聚合物的理想受体单元。他们提出的设计策略为聚合物半导体的结构与性能之间关系提供了更为深入的理解，为实现高迁移率发光n-型聚合物半导体开辟了新途径。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
