近日，我院刘迅成特聘教授团队的最新研究成果在国际顶级材料期刊《Advanced Functional Materials》（影响因子18.8，中科院一区TOP，2021年谷歌学术期刊“化学和材料科学”领域排名第九）上在线发表，这也是我院首次以贵州大学材料与冶金学院为第一完成单位在该期刊上发表论文，论文题目为“Unravelling the Role of Electron Acceptors for the Universal Enhancement of Charge Transport in Quinoid-Donor-Acceptor Polymers for High-Performance Transistors”，贵州大学硕士研究生梁欢欢、刘成和华南理工大学博士研究生张泽升为第一作者，贵州大学刘迅成特聘教授、华南理工大学陈军武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。
最小化键长交替能够赋予醌式共轭聚合物高度共平面的刚性主链结构，有利于载流子传输从而在高性能有机场效应晶体管（OFETs）中展示出巨大的应用前景。开发新型高效的醌式聚合物半导体材料对提高OFET的载流子迁移率和器件稳定性十分重要。考虑到OFET的商业化，器件在偏压下的工作稳定性和在空气中的储存稳定性同样重要。因此，追求具有高载流子迁移率和高器件工作稳定性的聚合物半导体材料成为研究者的目标。通过设计全新的醌式结构单元、改变主链共轭长度、优化侧链结构和采用全新的主链结构设计策略，刘迅成特聘教授及合作者前期在探索和开发高性能醌式聚合物半导体材料方面开展了一系列的研究工作（J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 8355; Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801874;J. Mater. Chem. A,2021, 9, 23497）。他们提出了一种全新的醌式-给体-受体（Q-D-A）主链结构设计策略，通过在聚合物主链中依次引入醌式单元、电子给体单元和受体单元，可大幅提高聚合物主链的共平面性和数量级地提升载流子迁移率。然而，Q-D-A策略作为新兴的主链设计方法在构筑聚合物半导体材料方面的潜力还需深入挖掘，如何有效调控Q-D-A聚合物的光电性能从而进一步提高OFET的载流子迁移率和器件的工作稳定性亟待解决。
鉴于此，刘迅成特聘教授团队及合作者通过改变Q-D-A共轭聚合物中的电子受体单元（图1），有效调控了Q-D-A聚合物的LUMO能级、有效空穴质量、薄膜结晶性、结晶取向以及OFET器件的迁移率和工作稳定性，获得了综合性能更优异的Q-D-A聚合物，并系统研究了Q-D-A聚合物的化学结构-光电性质-器件性能的互相作用规律。对比于相应的给体-受体（D-A）聚合物，不仅所有的Q-D-A聚合物主链的共平面性显著提高（图2），而且大部分Q-D-A聚合物的空穴迁移率增强了几个数量级（图3），证明了Q-D-A策略在提高主链共平面性和载流子迁移率方面的高效性和普适性。有效空穴迁移率最高可达3.35 cm2 V–1 s–1，是基于传统旋涂加工方法的醌式聚合物中的最高值之一。此外，受体强度更强的受体单元有利于Q-D-A聚合物得到更小的有效空穴质量、形成更高的薄膜结晶度、更有序的edge-on取向（图4）和具有更优异的OFET器件的工作稳定性（图5）。该研究充分揭示了Q-D-A共轭聚合物中电子受体单元的作用，为开发具有高迁移率和工作稳定性的聚合物半导体提供理论基础和新思路，对加速聚合物半导体材料的发展有着重要意义。
图1. a)本工作中报道的Q-D-A聚合物的分子结构和已报道的相应D-A聚合物的化学结构；b)本工作中Q-D-A聚合物的合成路线。
图2. Q-D-A聚合物和相应的D-A聚合物三聚体的最优几何构型和偶极矩。
图3.Q-D-A聚合物的OFET器件在热退火后的a)转移特性曲线；b)输出特性曲线；c)Q-D-A聚合物与已报道的相应D-A聚合物空穴迁移率的对比。
图4. a) Q-D-A聚合物热退火薄膜的GIWAXS图；b)从Q-D-A聚合物热退火薄膜的（100）衍射峰中提取的极值谱图，峰面积在0 ≤ |χ| ≤ 45°和45 ≤ |χ| ≤ 90°的范围内分别对应于edge-on和face-on结晶。
图5. a)Q-D-A聚合物的OFET器件开-关循环测试曲线，在VDS为−80 V时，施加−80 V和0 V的VG，循环9000次；b)Q-D-A聚合物的OFET器件转移特性曲线的重复性，VDS为−80 V，循环30次；c)Q-D-A聚合物的OFET器件偏压稳定性测试曲线，偏压为−80 V，持续时间2000 s。
该研究感谢贵州大学材料与冶金学院硕士研究生周全峰、刘其斌教授、物理学院龚秀教授和华南理工大学张连杰教授的支持和协助。该研究成果得到贵州大学一流学科特设岗位基金、贵州省科学技术基金等项目的资助。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202201903
作者介绍：
刘迅成，1989年10月出生，中共党员，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，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进行博士联合培养。2019年07月就职于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。以第一作者/通讯作者在Journal of the American Chemical Society (1篇)、Advanced Functional Materials (2篇)、Journal of Materials Chemistry A (3篇)等国内外著名期刊发表论文数篇。
梁欢欢，1996年4月出生，中共党员，贵州大学材料与冶金学院2019级硕士研究生，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Advanced Functional Materials上发表论文一篇。
刘成，1997年6月出生，中共预备党员，贵州大学材料与冶金学院2019级硕士研究生，导师为刘迅成特聘教授。主要研究方向是醌式共轭聚合物的设计合成，及其在有机光伏电池和场效应晶体管中的应用。目前以第一作者在Advanced Functional Materials、Journal of Materials Chemistry A上发表论文两篇。