刘云圻课题组在高性能聚合物半导体分子设计方面取得系列进展

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有机半导体材料是有机场效应晶体管(OFET)器件的核心组成之一，科学家们设计了众多电子（n-型）和空穴（p-型）以及双极性有机高分子半导体材料以满足不同功能电路的要求。但对于有机电子工业来讲，高迁移率材料设计以及非氯溶剂的成膜过程都同等重要。如何引入新的设计理念，从源头上解决高迁移率材料匮乏和非氯溶剂加工困难等，是当前面临的重大挑战。
　　在国家自然科学基金委、科技部和中国科学院的支持下，化学所有机固体实验室郭云龙研究员和刘云圻院士团队与湘潭大学以及华中科技大学合作，首次将含有中等缺电子受体的吡咯并吡咯二酮(DPP)和吡啶[2,1,3]噻二唑(BTz)受体，通过“受体二聚”策略引入到给-受体（D-A）型聚合物分子中，有效地调控了分子的能级，实现了高迁移率的平衡双极性半导体分子的制备，电子和空穴迁移率超过了6 cm2V–1s–1（Adv. Mater. 2017, 29, 1606162; J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 17735. Adv. Mater. 2018, 30, 1801951; Adv. Funct. Mater., 2019, 29, 1804839.）。进一步，他们将二氟连二噻吩(2FBT)单元和含有不同氟原子的异靛蓝(IID)基团共聚，实现了PIID-2FBT，P1FIID-2FBT 和 P2FIID-2FBT 从p 型为主、平衡的双极性到 n 型为主的传输特性的调节。其中，P2FIID-2FBT展现的电子迁移率超过了 9 cm2V–1s–1 (Adv. Mater. 2017, 29, 1702115)，为高迁移率高分子材料体系的设计提供了新思路。并系统总结了受体调控策略，对提升聚合物半导体材料电子迁移率具有重要意义（图1），相关研究成果发表在Adv. Mater. 2021, 10.1002/adma.202104325 上。博士生陈金佯为该论文第一作者，通讯作者为郭云龙研究员和刘云圻院士。

图1. 该团队发展的部分代表性分子结构（左图）；高迁移率D-A材料设计、加工技术以及器件性能的构效关系（右图）。

图2. （a）该团队设计非氯溶剂加工的聚合物双极性分子结构及（b）迁移率统计和（c）形貌。

　　最近，该团队通过高分子质量共轭单体聚合物的方法以及分子量的有效调控，获得了PITTI-BT分子，其单体的分子量约为2.22 k，聚合物数均分子量18.3 kDa，实现了分子在非氯溶剂（二甲苯）中较好的溶解度。他们进一步通过偏心旋涂的方法制备了取向薄膜，沿取向方向聚合物FET器件的空穴和电子迁移率分别达到了3.06 和2.81 cm2V–1s–1，为该类分子非氯加工晶体管器件的最优值。相关研究结果发表在近期的National Science Review 2021, DOI:10.1093/nsr/nwab145 上。杨杰博士为该论文的第一作者、蒋雅倩、赵志远博士和杨学礼为共同第一作者，通讯作者为郭云龙研究员和刘云圻院士。
       文章来源：化学所
        刘云圻研究员，中国科学院院士，第三世界科学院院士。物理化学家，1949年2月生于江苏省靖江市。 1975年毕业于南京大学化学系，1991年在日本东京工业大学获博士学位。长期从事分子材料与器件的研究。总结发展了高性能分子材料的设计思想和提出了性能调控的新方法。证实了扩展π体系是实现高迁移率的重要途径，合成了具有优异光电性能的新型π共轭分子材料。首次提出了液态铜催化剂生长石墨烯的概念，获得了高质量单晶石墨烯；制备了第一个氮掺杂的石墨烯，实现了对石墨烯电学性能的调控；开拓了在介电层上直接生长石墨烯的新方法。揭示了界面对器件性能的影响规律，开发了新的溶液法加工技术，实现了器件的多功能化。发表SCI论文500余篇(其中130余篇发表在影响因子大于10的期刊上)，他人引用2万余次，h因子大于80，获授权中国发明专利70项，出版专著一部及19章节，在国内外学术会议上做大会/邀请报告100余次。2007，2016年获国家自然科学二等奖各一项，2017年度获北京市自然科学一等奖。2014, 2015和2016年入选汤森路透全球"高被引科学家"目录。现为科技部国家重点基础研究发展计划（973计划）重大科学前沿领域第四届专家咨询组副组长、中国化学会理事、有机固体专业委员会副主任，和担任Scientific Reports, Nanoscale, Flexible Printed Electronics等6种期刊的编委/顾问委员会成员。
        郭云龙，中国科学院化学研究所有机固体实验室研究员。北京市科技新星（2018）；中国科学院青年创新促进会（2012）；中国科学院优秀博士学位论文（2011）；中国科学院院长优秀奖（2010）目前发表Adv. Mater.;JACS等论文132篇，引用大于6700次。2017年应邀为Adv. Electron. Mater.国际编委会成员。