2024年4月22日，贵州大学材料与冶金学院刘迅成特聘教授团队在可绿色溶剂加工的高性能共轭聚合物半导体材料的研究中取得了突破性进展，该工作以“A Three-in-One Hybrid Strategy for High-Performance Semiconducting Polymers Processed from Anisole”为题发表在国际著名材料期刊《Advanced Science》(影响因子15.1，中科院一区TOP)。贵州大学材料与冶金学院是论文的第一完成单位，贵州大学材料与冶金学院2019级硕士研究生刘成为第一作者，2019级硕士研究生梁欢欢及2021级硕士研究生谢润泽为该论文的共同第一作者，贵州大学刘迅成特聘教授和美国劳伦斯伯克利国家实验室刘毅高级研究员为论文通讯作者。论文共同作者还包括美国南密西西比大学顾晓丹教授、华南理工大学陈军武教授和张连杰副教授。
聚合物半导体材料在有机场效应晶体管(OFET)、有机光伏电池(OPV)和其他有机电子器件应用中取得了重大进展。然而，大多数高性能聚合物半导体需要高毒性的卤代溶剂进行加工，如氯苯(CB)、氯仿(CF)和邻二氯苯(o-DCB)，这会威胁人体健康和造成严重的环境问题，极大限制了有机电子器件的可持续大规模生产和商业化进程。这是因为缺少理想的结构单元，从而导致聚合物的绿色溶剂加工性和电学性能成为互斥的性质和呈现此消彼长的矛盾。因此，如何设计高效的结构单元从而构筑兼具绿色溶剂加工性能和高效载流子传输性能的聚合物半导体材料亟待解决。
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(Mater. Horiz., 2024, 11, 283; 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)提出了全新的“三合一”结构单元设计策略，通过将电子给体单元(Donor)、醌式单元(Quinoid)和受体单元(Acceptor)集成得到新型一体化D-Q-A复合结构单元(TQBT)，兼具大偶极矩、非对称结构、高共平面和醌式特性。与不同的共聚单元共聚，可以得到一系列分子极性、溶解性和光电性质可调控的共轭聚合物。在强极性、非对称结构和主链高度共平面的协同作用下，以噻吩(T)为共聚单元的PTQBT-T聚合物在真正的绿色溶剂苯甲醚中具有较好的溶解性，同时在固态薄膜中形成局部聚集体保证了高效的载流子传输。基于苯甲醚加工的有机场效应晶体管器件展现出优异的空穴迁移率2.30 cm2 V1 s1，这是基于绿色溶剂和采用常规旋涂加工方法的聚合物半导体材料的最高值。且器件表现出良好的工作稳定性和空气稳定性。“三合一”设计策略同时实现了优良的绿色溶剂加工性和高效载流子传输性能，为开发高性能可绿色溶剂加工的聚合物半导体材料提供了新思路，对加速有机电子的绿色大规模绿色生产和未来商业化有着重要意义。
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。
论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202401345
一审：李龙
二审：赵飞
三审：刘剑