复旦大学刘云圻、赵岩团队在《自然·材料》发表高迁移率类单晶聚合物半导体研究成果。有机电子材料因兼具柔性、轻量、可溶液加工、以及可通过分子设计/凝聚态结构优化而调控性能等优势，在柔性显示、可穿戴设备、物联网电子和生物电子等领域具有广阔应用前景。其中，共轭聚合物半导体被认为是最具潜力的材料体系之一。然而，在溶液加工过程中，聚合物分子从溶液态到固态薄膜的多尺度结构演化难以精准调控，容易导致形貌缺陷和长程有序度不足，进而限制载流子传输效率。如何实现从分子、介观到宏观尺度的协同有序，是聚合物半导体迈向高性能器件的关键挑战。
图1. 《自然·材料》（Nature Materials）官方网站刊登的研究内容
近日，复旦大学智能材料与未来能源创新学院刘云圻院士/赵岩教授团队提出了一种自模板梯度组装策略（Self-Templated Gradient Assembly, STGA），实现了聚合物半导体多尺度结构的理性调控，并成功制备出类单晶聚合物晶体。相关成果以Single-crystal-like polymer semiconductors via self-templated gradient assembly for ultrahigh charge carrier mobility为题，于北京时间7月3日晚间在《自然·材料》（Nature Materials）在线发表（图1）。
图2. 新型梯形芳香二酮类聚合物分子结构及相应的溶剂筛选框架
针对传统聚合物半导体加工中依赖经验试错、结构调控不稳定等问题，研究团队基于溶剂溶解度参数与蒸汽压之间的协同关系，建立了溶剂选择与动态混合的设计框架（图2）。该策略通过调控溶液中聚合物聚集体的形成与演化，使其充当结晶自模板，并借助可控的梯度组装过程，实现分子排列、介观畴区组织和宏观取向的逐级有序化，从而显著提升聚合物半导体的载流子传输性能。
图3. 溶液态聚集体的可控调节与多级组装过程
研究团队以自主开发的梯形芳香二酮类D-A型共轭聚合物PFIDTO-BT为模型体系，结合多种先进表征技术，系统揭示了溶液态聚集体、组装动力学、固态多尺度结构与器件性能之间的内在关系（图3）。基于STGA策略，制备的PFIDTO-BT高取向性薄膜晶体管空穴迁移率达到11.32 cm2 V−1 s−1；进一步通过多维梯度调控，培养了类单晶聚合物晶体（图4），其晶体管载流子迁移率高达37.1 cm2 V−1 s−1，达到聚合物半导体领域领先水平。该策略还在经典聚合物P3HT及其他多种聚合物体系中得到验证，实现了2至40倍的迁移率提升，显示出良好的普适性。
图4. 类单晶聚合物晶体的多尺度结构表征
该研究不仅证明了聚合物半导体可通过多尺度有序调控实现接近晶体化的高效电荷传输，也为高性能有机电子材料从经验优化走向理性设计提供了新的方法学框架。相关成果有望为柔性显示、可穿戴传感、植入式医疗器件和物联网电子等领域提供重要的材料基础和聚集态调控范式。
复旦大学智能材料与未来能源创新学院刘云圻院士和赵岩教授为论文通讯作者，复旦大学智能材料与未来能源创新学院博士研究生李文豪、湘潭大学化学学院陈华杰教授为共同第一作者。研究工作得到国家自然科学基金、上海市自然科学基金以及复旦大学的支持。
特别声明：本文转载仅仅是出于传播信息的需要，并不意味着代表本网站观点或证实其内容的真实性；如其他媒体、网站或个人从本网站转载使用，须保留本网站注明的“来源”，并自负版权等法律责任；作者如果不希望被转载或者联系转载稿费等事宜，请与我们接洽。
来源：复旦大学智能材料与未来能源创新学院
