聚合物场效应晶体管在实现低成本、大面积、轻质的下一代电子器件如皮肤/可穿戴电子器件、柔性显示器、射频识别标签和智能传感器等方面显示出巨大潜力。

在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的大力支持下，化学所有机固体院重点实验室于贵课题组在聚合物半导体材料设计、合成及场效应器件构筑方面开展研究，利用共轭骨架构象调控等策略发展了系列高迁移率聚合物半导体材料及其场效应晶体管器件（如Adv. Mater. 2018, 30, 1705286、Chem. Mater. 2020, 32, 2330、Chem. Mater. 2019, 31, 2507、Chem. Mater. 2016, 28, 2209、Macromolecules 2019, 52, 8238、Macromolecules 2019, 52, 2911、Macromolecules 2018, 51, 8662、Macromolecules 2018, 51, 7093、Macromolecules 2018, 51, 966、Macromolecules 2017, 50, 6098、Macromolecules 2016, 49, 6401、Macromolecules 2016, 49, 2582等），也对当前有机/聚合物半导体及场效应晶体管器件的研究发展进行了系统总结和综述（Adv. Mater. 2023, 2210772、Adv. Func. Mater. 2021, 31, 2010979、Chem. Sci. 2021, 12, 6844、Chem. Mater. 2021, 33, 1513等）。

最近，该课题组通过绿色聚合方法——苯并呋喃二酮和双吲哚啉-2-酮单元之间的羟醛缩聚反应，发展了三种具有供体-受体（D-A）型规则二元结构、基于苯并呋喃二酮结构单元的新型聚合物半导体材料（图1）。该系列聚合物表现出双极性电荷输运特性，其最高空穴和电子迁移率分别为5.16和1.33 cm2 V-1 s-1，是目前通过该聚合方法获得的聚合物半导体材料迁移率的最高值，实现了羟醛缩聚反应在高迁移率聚合物半导体材料合成中的应用，为高性能聚合物半导体的绿色制备提供了新思路。相关研究结果发表于CCS Chem.（2023, DOI: 10.31635/ccschem.023.202202458），第一作者为博士生车前，通讯作者为张卫锋副研究员和于贵研究员。


图1  羟醛缩聚制备高迁移率聚合物半导体材料

针对n-型聚合物半导体的性能和种类较p-型半导体滞后的科学问题，研究人员设计、合成了三种新型亚乙烯基桥连双异靛蓝结构单元NCCN、NFFN和NNNN，并发展了它们的D-A型衍生聚合物PNCCN-FBT、PNFFN-FBT和PNNNN-FBT。氟原子和sp2-氮原子的引入不但在聚合物共轭骨架形成多重H…F、CH…N和N…S 分子内氢键或非共价键作用，也使得材料前沿分子轨道能级得到优化，从而实现了载流子输运性能从双极性到n-型的转变。聚合物PNFFN-FBT的电子输运性能最佳，其电子迁移率为3.28 cm2 V-1 s-1。相关研究结果发表于CCS Chem.（2023, DOI: 10.31635/ccschem.023.202202574），第一作者为博士生潘玉钗，通讯作者为张卫锋副研究员和于贵研究员。在此基础上，研究人员提出了部分锁定和全锁定聚合物共轭骨架概念，发展了分别具有部分锁定和全锁定共轭骨架的含有NFFN结构单元的新型聚合物半导体材料PNFFN-DTE和PNFFN-FDTE（图2）。其中，聚合物PNFFN-FDTE展现出极为优越的电子输运性能，其电子迁移率达到16.67 cm2 V-1 s-1，是国际上目前聚合物场效应晶体管器件的最高值之一。相关研究结果发表于Adv. Mater. (2023, DOI: 10.1002/adma.202300145)，第一作者为张卫锋副研究员，通讯作者为于贵研究员和浙江师范大学史柯利副教授。


图2  具有全锁定共轭骨架的高电子迁移率聚合物半导体材料