中国科学院化学研究所刘云圻/郭云龙团队在本征柔性/可拉伸聚合物半导体领域取得新进展
学术
2024-10-16 17:26
北京
面向智能化和多功能化的可拉伸半导体，在构筑下一代可穿戴电子器件方面具有重要意义。通常情况下，高迁移率聚合物半导体材料往往具有高结晶性，而高结晶性的特征会导致材料表现出脆性以及机械拉伸性差的问题。因此，在不破坏固有电学性能的前提下，赋予聚合物半导体机械拉伸性是一个重要挑战。在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学研究所有机固体院重点实验室的刘云圻和郭云龙团队在前期高迁移率聚合物半导体研究的基础上（Natl. Sci. Rev. 2024,11,nwad253; Adv. Mater. 2022,34,2104325; Sci. China Chem. 2022,65, 1225.），开发了一系列可拉伸分子材料体系以及功能化器件，并积累了丰富的研究经验(Nat. Commun. 2024, 15,3123; Nat. Commun. 2024, 15,2624; Adv. Mater. 2024. 36, 2305987; Adv. Funct. Mater. 2024,34,2310558; Adv. Funct. Mater. 2024,34,2403770.)。
近期，他们针对高迁移率聚合物半导体“力‒电融合”的难题，提出了一种“原子结“策略，在联二噻吩给体单元的β位引入不同半径的原子（如：C、N、S和Si原子），并通过在聚合物骨架中精准定量引入10%的“原子结”化给体，调控聚合物构象以及薄膜凝聚态结构，实现聚合物半导体机械拉伸性和电荷传输能力的双模式提升（Chem. Mater. 2024,36,8274）。最近，他们提出了一种分子尺度几何设计策略，结合了可拉伸无机体系的结构柔性以及有机半导体材料可结构定制的特点，获得了高性能本征可拉伸的聚合物半导体。从线性区域规整的共轭聚合物同系物出发，定量引入不同的邻位型和间位型扭结单元，开发了一系列锯齿型结构的半导体聚合物。在杂原子嵌入、柔性烷基链连接的辅助下，使得聚合物分子具有可控的构象转变、长程的π聚集和短程的扭转无序，极大的提升了其机械拉伸性和电荷输运能力。在锯齿型结构的聚合物o-OC8-5%中，初始场效应迁移率达1.92 cm2V‒1 s‒1，100%应变下仍能保持1.43 (∥)和1.37 (⊥) cm2V‒1 s‒1，同时具有优异的性能保持和拉伸循环稳定性。该策略为“力‒电融合”的高性能本征柔性半导体设计提供了新思路。相关研究成果近期发表在J. Am. Chem. Soc. 2024, DOI:10.1021/jacs.4c07174，第一作者为博士生朱明亮，通讯作者为刘云圻院士和郭云龙研究员。![]()
▲ 本征可拉伸聚合物半导体的分子尺度几何结构设计
