贵州大学刘迅成Macromolecules：受体工程实现醌式-给体-受体聚合物半导体的载流子极性调控和高效电子传输

高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2025-01-10 07:39

正文

近日，贵州大学刘迅成特聘教授团队在高分子领域顶级期刊Macromolecules（中科院一区TOP，自然指数期刊）发表了题为“Charge Polarity Modulation and Efficient Electron Transport in Quinoid-Donor-Acceptor Polymers by Acceptor Engineering for High-Performance Transistors”的研究论文。贵州大学材料与冶金学院是论文的第一完成单位，2021级硕士研究生陈豪是第一作者，2021级硕士研究生谢润泽和2023级硕士研究生唐杰为共同第一作者，贵州大学刘迅成特聘教授为论文唯一通讯作者。

有效调控有机半导体材料的载流子极性并提高其电子传输性能，对于发展高性能有机场效应晶体管(OFET)至关重要。相比芳香聚合物，醌式聚合物以其高主链共平面性和低LUMO能级的特性展现出显著优势。然而，醌式聚合物在实现可靠电子迁移率突破1 cm² V^–1 s^–1方面依然面临巨大挑战。此外，本研究团队前期提出的醌式-给体-受体（Q-D-A）主链设计策略，能够有效降低聚合物LUMO能级、增强分子间相互作用并促进紧密的链间堆积，从而使得相应聚合物的空穴迁移率超过5 cm² V^-1 s^-1。然而，迄今尚未在Q-D-A聚合物中实现高效的电子传输。因此，如何通过调控Q-D-A聚合物的载流子极性以进一步提升其电子传输性能仍是亟待解决的难题。

鉴于此，贵州大学刘迅成特聘教授团队在前期工作的基础上(Macromolecules. 2024, 57, 5902; Adv. Sci., 2024, 2401345; Mater. Horiz., 2024, 11, 283; Acc. Chem. Res., 2023, 56, 1669; Adv. Funct. Mater., 2022, 2201903; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801874; J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 8355)，利用受体工程策略有效调控Q-D-A聚合物载流子传输极性从而实现高效电子传输，设计并合成了一系列含有不同受体单元的Q-D-A聚合物（PAQM-BO、PAQM-BBT、PAQM-BBTV、PAQM-DFBO、PAQM-NDI、PAQM-NDIV）。通过逐步增强受体单元的受体强度，研究发现更强的受体单元可以降低聚合物LUMO能级、减小聚合物的带隙，并实现了载流子极性的转变，从空穴传输的p型、到双极性，最终变成以电子为主的n型传输。含最强受体单元的聚合物PAQM-NDIV具有高主链共平面性、小的有效电子质量、高结晶度和低无序度，赋予了其高效的n型传输特性。基于PAQM-NDIV的OFET器件的可靠电子迁移率高达1.20 cm² V^-1 s^-1，创造了当前醌式聚合物中可靠电子迁移率的最高纪录，同时器件还展现出良好的操作稳定性和空气稳定性。该研究提出了一种调控醌式聚合物载流子极性并提升其n型传输性能的有效策略，揭示了Q-D-A聚合物在实现高效电子传输方面的潜力，为开发具有高电子迁移率和优异稳定性的聚合物半导体材料提供了新的设计思路，并为推动高性能有机电子器件的应用奠定了理论基础。

图1.(a)本研究中Q-D-A聚合物的分子结构；(b)六个受体单元的LUMO能级；(c)近12年醌式共轭聚合物的电子迁移率。

图2.室温下六种聚合物在(a)氯苯和(b)薄膜中的紫外可见吸收光谱；(c)六个聚合物的能级图。

图3.(a)Q-D-A聚合物的能带结构和态密度(DOSs)；(b)Q-D-A聚合物的有效空穴质量和电子质量的比较。

图4.六个聚合物优化的最优几何构型及能级。

图5.六个聚合物的OFET器件在热退火后的(a,c)转移和(b,d)输出特性曲线；(e)六个聚合物的最大空穴和电子迁移率的比较；(f)六个聚合物的电子/空穴迁移率比(μ_e/μ_h)的比较。

图6.六个聚合物退火薄膜的(a)GIWAXS图和(b)AFM图；退火聚合物薄膜沿(c)面外和(d)面内方向的1D GIWAXS图；(e)六个聚合物的晶体相干长度、g因子、空穴和电子迁移率的比较。

该研究得到了国家自然科学基金委、贵州省科技厅科学技术基金和贵州省教育厅科学技术基金的资助。该研究感谢贵州大学省部共建公共大数据国家重点实验室提供算力支持。

作者介绍：

刘迅成，1989年10月出生，贵州大学特聘教授，硕士研究生导师。本、硕、博毕业于华南理工大学，美国加州大学伯克利分校/劳伦斯伯克利国家实验室联合培养博士。2019年就职贵州大学材料与冶金学院，研究领域是有机/聚合物半导体材料的设计合成及其在场效应晶体管、太阳能水电联产和生物光热治疗中的应用。主持国家自然科学基金2项，省部级科研项目6项，包括贵州省科技厅重点项目1项。以通讯作者/第一作者在Journal of the American Chemical Society、Accounts of Chemical Research、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Materials Horizons、Macromolecules等国际著名期刊发表论文数篇。

陈豪，1996年10月出生，贵州大学材料与冶金学院2021级硕士研究生，导师为刘迅成特聘教授。主要研究方向：有机半导体材料的合成及其在有机场效应晶体管中的应用。以第一作者在Macromolecules期刊发表论文一篇。

论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c02596

来源：高分子科学前沿

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