2024年6月6日，贵州大学材料与冶金学院刘迅成特聘教授团队在高性能新型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“Designer Conjugation-Break Spacer that Boosts Charge Transport in Semiconducting Terpolymers”为题发表在高分子领域顶级期刊Macromolecules（自然指数期刊，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，2021级硕士研究生强云峰是第一作者，2021级硕士研究生谢润泽、美国劳伦斯伯克利国家实验室何博博士为共同第一作者，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。
近年来，设计合成全新的结构单元已成为提高聚合物半导体载流子传输性能的有效途径。常见的构筑聚合物的结构单元具有共轭的分子骨架和刚性的平面结构，因为其能够提高主链共轭长度、加强分子间相互作用和促进紧密的链间堆积从而有利于获得高载流子迁移率，所以非共轭单元通常被排除在设计高迁移率共轭聚合物之外。尽管非共轭柔性单元可用于构筑具有优异机械性能的聚合物半导体材料，然而非共轭刚性结构单元鲜有报道，且其在构筑高迁移率聚合物半导体方面的研究还是空白。
鉴于此，贵州大学刘迅成特聘教授团队在前期工作的基础上(Adv. Sci.,2024, 2401345;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)提出主链引入非共轭刚性单元提高聚合物半导体载流子迁移率的策略，设计并通过简单的方法合成了一种新型的非共轭刚性结构单元（DKPDO），将其以不同的比例引入到基于异靛蓝和联噻吩的共轭主链中成功构筑了一系列无规共轭聚合物，系统地研究了DKPDO及其含量对聚合物的溶解度、聚集行为、薄膜微观形貌、电子能级、主链共平面性和场效应晶体管器件性能的影响。与不含DKPDO的聚合物相比，引入不同比例的DKPDO均可提高聚合物主链的共平面性、拉低前线轨道能级、降低溶解性和诱导混合结晶取向，从而能普遍提高空穴迁移率和器件操作稳定性。此外，含2.5%DKPDO的无规共聚物由于具有最大的结晶相干长度和最小的结晶无序度，其空穴迁移率高达4.12 cm2 V-1 s-1，是不含DKPDO聚合物的迁移率的6倍，且是基于异靛蓝中心扩展单元构筑的聚合物的最高值之一。该研究首次实现了引入非共轭单元大幅提高聚合物载流子迁移率，为获得高性能聚合物半导体材料提供了一种简单且高效的新方法。
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。该研究感谢贵州大学化学与化工学院康超教授和物理龚秀教授的协助，以及贵州大学省部共建公共大数据国家重点实验室提供算力支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.4c00613
图文：强云峰
一审：李龙
二审：赵飞
三审：刘剑