刘云圻课题组在多功能集成聚合物半导体的分子设计方面取得新进展

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随着材料科学和器件技术的快速发展，可拉伸元件和柔性显示器因其在下一代可穿戴和可植入式电子器件中的潜在应用而引起了广泛的关注。具有单体结构可调、区域分子协同、本征柔性等特点的聚合物半导体材料在其中起着至关重要的作用，逐渐成为实现多功能应用的重要元件之一。特别是，具有独特的光学、电学、机械和化学特性的多功能集成聚合物半导体的分子设计与开发，对先进和新兴制造技术至关重要。然而，通过多级制造实现多功能应用一直是有机半导体领域的重大挑战之一。
        在国家自然科学基金委、国家重点研发计划和中国科学院的大力支持下，化学研究所有机固体院重点实验室刘云圻课题组前期在高迁移率聚合物半导体材料的研究中取得了一系列重要进展（图1）。

图1. 区域规整型吡啶并三氮唑类聚合物集成高迁移率与近红外发光特性

        近期，该课题组发展了一种集成本征可拉伸、高迁移率和强发光的新型多功能聚合物半导体的分子设计方法。通过优化吡啶[1,2,3]三氮唑-噻吩共结构的构筑单元，得到了一系列具有全骨架共平面性和偶联反应选择性的区域规整型四元聚合物。区域规整的共轭骨架有助于聚合物分子链的紧密堆积，通过动态力学测试、薄膜弹性体测试和二维掠入射广角X射线衍射实验表明，多功能集成四元聚合物半导体具有较低的弹性模量、超过100%的裂纹起始应变、优异的结晶度和均匀分布的短程有序聚集体。以玻璃作为衬底制备了顶栅底接触型OFET器件来研究其电学性能，测试结果表明聚合物半导体具有高的迁移率（μ > 1 cm2 V−1 s−1）。此外，他们以聚二甲基硅氧烷作为衬底制备了全可拉伸OFET器件证明了材料的可拉伸性，聚合物半导体同时表现出高效的载流子传输和高的机械可逆性。为进一步提高聚合物的发光性能，同时有效地保持其初始的机械和电学性能，研究人员首次提出了一种同源共混策略，共混材料兼具优异的迁移率（μ）和量子产率（Φ），其中Φ · μ的最大值达到0.43 cm2 V−1 s−1。该工作实现了将优异的光学、电学和力学性能集成到同一分子体系中，极大地促进了多功能聚合物半导体的发展。
        相关研究成果近期发表在Adv. Mater.2024, 36, 2305987上，并被该期选为插页。文章的共同第一作者为陈金佯博士、博士生朱明亮和邵明超博士，通讯作者为郭云龙研究员和刘云圻研究员。
        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。