近日，国际著名材料期刊Materials Horizons（影响因子13.3，中科院一区TOP）在线报道了贵州大学刘迅成特聘教授团队在高性能醌式共轭聚合物半导体材料方面的最新研究成果“A skeletal randomization strategy for high-performance quinoidal-aromatic polymers”。贵州大学材料与冶金学院是论文的第一完成单位，贵州大学硕士研究生周全峰为第一作者，贵州大学刘迅成特聘教授、王媛玉教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室刘毅高级研究员为通讯作者。
良好的溶解性是聚合物半导体材料能够溶液加工的先决条件，聚合物薄膜的高结晶性对实现高载流子的传输至关重要。然而，高迁移率聚合物半导体材料的发展长期受限于这对互斥的性质（溶解性和结晶性），传统的聚合物分子设计策略通常会导致聚合物溶解度和结晶度呈现此消彼长的矛盾。因此，如何对聚合物的分子结构进行优化设计，在改善聚合物溶解度的同时不牺牲聚合物的结晶度从而大幅提升聚合物半导体材料的综合性能亟待解决。
鉴于此，贵州大学刘迅成特聘教授团队及合作者在前期工作的基础上（Acc. Chem. Res. 2023, 56, 1669; Adv. Funct. Mater. 2022, 2201903; J. Mater. Chem. A, 2021, 9, 23497; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801874; J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 8355）通过非常简单的主链无规化策略合成了主链无规聚合物PA4T-Ra，与其相对应的主链规整的聚合物PA4T相比，在溶解度提升的同时结晶度也得到提高。同时，将PA4T-Ra与其他基于传统溶解度调控策略构建的同系聚合物进行系统的对比研究发现，无规聚合物PA4T-Ra具有中等的溶液聚集强度、最高的结晶度和最小的结晶无序度。此外，在空气条件下制备的基于PA4T-Ra的场效应晶体管器件实现了3.11 cm2 V–1 s–1的超高空穴迁移率，是其他基于传统溶解度调控策略构建的同系聚合物迁移率的50倍，且是目前基于旋涂方法加工的醌式聚合物中的最高值之一。此外，基于PA4T-Ra的场效应晶体管器件还具有优异空气稳定性和工作稳定性。该研究工作不仅打破了无规聚合物会导致结晶度降低的传统观念，同时为开发可溶液加工的高迁移率共轭聚合物提供了新思路，对加速有机电子领域的发展有着重要意义。
图1.a)共轭聚合物PA4T和PA4T的四种同系聚合物的结构；b)主链无规策略和聚合物PA4T-Ra的主链序列；c)基于二溴-p-AQM的不对称单体合成路线；d)四个聚合物的合成路线。
图2.五个聚合物在a)80 °C氯苯溶液中的溶解度；b)室温下氯苯溶液和c)薄膜中的紫外-可见吸收光谱；d-f)PA4T、PA4T-L和PA4T-Ra在氯苯溶液中从20 °C逐渐加热到100 °C时变温紫外-可见吸收光谱；g)溶液变温过程中A0−0/A0−1的比值；h)室温下氯苯中聚合物分子链聚集的尺寸分布；i)聚合物的能级。
图3.五个聚合物热退火薄膜的a)GIWAXS图像；b)AFM形貌图像；c)沿面外和d)面内方向的积分曲线；e)层间距、结晶相干长度和g因子的比较。
图4.具有不同聚集强度的聚合物的溶液聚集影响薄膜微观形貌的示意图。
图5.四个聚合物OFET器件热退火后的a)转移特性曲线；b)输出特性曲线；c)聚合物最大空穴迁移率的对比；d)近10年来基于醌式聚合物采用传统旋涂加工方法的OFET空穴迁移率。
该研究得到了国家自然科学基金委、贵州省科技厅科学技术基金和贵州省教育厅科学技术基金的资助。
《Materials Horizons》创刊于2014年，由英国皇家化学会RSC出版的英文期刊(月刊)。该期刊是一本出版高质量、创新材料科学的领先期刊，平均年发文量为150篇左右，对创新性要求极高。其关注重点放在展示新概念或新思维方式的原创研究上，而且对于具有实质性技术进步和突破进展的优秀文章也是该期刊主要关注的对象。
作者介绍：
刘迅成，1989年10月出生，贵州大学特聘教授，硕士研究生导师，一流学科特区引进人才。本、硕、博毕业于华南理工大学，师从于发光材料与器件国家重点实验室陈军武教授。2016年获国家公派留学资助赴美国加州大学伯克利分校/劳伦斯伯克利国家实验室博士联合培养，导师刘毅（Liu Yi）高级研究员。2019年07月就职贵州大学材料与冶金学院，研究领域是有机半导体材料的设计合成及其在有机光伏电池、场效应晶体管和柔性电子器件中的应用。主持国家、省部级科研项目7项，包括国家自然科学基金2项。以通讯作者/第一作者在Accounts of Chemical Research、Journal of the American Chemical Society、Advanced Functional Materials、Materials Horizons等影响因子大于10的国际著名期刊发表论文数篇。
周全峰，1999年5月出生，中共党员，贵州大学材料与冶金学院硕士研究生，导师为刘迅成特聘教授，主要研究方向是醌式聚合物半导体材料的设计合成，及其在有机场效应晶体管中的应用。目前以第一作者在Materials Horizons上发表论文1篇，以共同作者在Advanced Functional Materials、Journal of Materials Chemistry A发表论文2篇。
论文链接：
https://doi.org/10.1039/D3MH01143G
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