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在國家自然科學基金委、科技部和中國科學院的大力支持下，化學所有機固體院重點實驗室于貴課題組在聚合物半導體材料設計、合成及場效應器件構筑方面開展研究，利用共軛骨架構象調控等策略發展了系列高遷移率聚合物半導體材料及其場效應晶體管器件（如Adv. Mater. 2018, 30, 1705286、Chem. Mater. 2020, 32, 2330、Chem. Mater. 2019, 31, 2507、Chem. Mater. 2016, 28, 2209、Macromolecules 2019, 52, 8238、Macromolecules 2019, 52, 2911、Macromolecules 2018, 51, 8662、Macromolecules 2018, 51, 7093、Macromolecules 2018, 51, 966、Macromolecules 2017, 50, 6098、Macromolecules 2016, 49, 6401、Macromolecules 2016, 49, 2582等），也對當前有機/聚合物半導體及場效應晶體管器件的研究發展進行了系統總結和綜述（Adv. Mater. 2023, 2210772、Adv. Func. Mater. 2021, 31, 2010979、Chem. Sci. 2021, 12, 6844、Chem. Mater. 2021, 33, 1513等）。

最近，該課題組通過綠色聚合方法——苯并呋喃二酮和雙吲哚啉-2-酮單元之間的羥醛縮聚反應，發展了三種具有供體-受體（D-A）型規則二元結構、基于苯并呋喃二酮結構單元的新型聚合物半導體材料（圖1）。該系列聚合物表現出雙極性電荷輸運特性，其最高空穴和電子遷移率分別為5.16和1.33 cm² V^-1 s^-1，是目前通過該聚合方法獲得的聚合物半導體材料遷移率的最高值，實現了羥醛縮聚反應在高遷移率聚合物半導體材料合成中的應用，為高性能聚合物半導體的綠色制備提供了新思路。相關研究結果發表于CCS Chem.（2023, DOI: 10.31635/ccschem.023.202202458），第一作者為博士生車前，通訊作者為張衛鋒副研究員和于貴研究員。

圖1  羥醛縮聚制備高遷移率聚合物半導體材料

針對n-型聚合物半導體的性能和種類較p-型半導體滯后的科學問題，研究人員設計、合成了三種新型亞乙烯基橋連雙異靛藍結構單元NCCN、NFFN和NNNN，并發展了它們的D-A型衍生聚合物PNCCN-FBT、PNFFN-FBT和PNNNN-FBT。氟原子和sp²-氮原子的引入不但在聚合物共軛骨架形成多重H^…F、CH^…N和N^…S 分子內氫鍵或非共價鍵作用，也使得材料前沿分子軌道能級得到優化，從而實現了載流子輸運性能從雙極性到n-型的轉變。聚合物PNFFN-FBT的電子輸運性能最佳，其電子遷移率為3.28 cm² V^-1 s^-1。相關研究結果發表于CCS Chem.（2023, DOI: 10.31635/ccschem.023.202202574），第一作者為博士生潘玉釵，通訊作者為張衛鋒副研究員和于貴研究員。在此基礎上，研究人員提出了部分鎖定和全鎖定聚合物共軛骨架概念，發展了分別具有部分鎖定和全鎖定共軛骨架的含有NFFN結構單元的新型聚合物半導體材料PNFFN-DTE和PNFFN-FDTE（圖2）。其中，聚合物PNFFN-FDTE展現出極為優越的電子輸運性能，其電子遷移率達到16.67 cm² V^-1 s^-1，是國際上目前聚合物場效應晶體管器件的最高值之一。相關研究結果發表于Adv. Mater. (2023, DOI: 10.1002/adma.202300145)，第一作者為張衛鋒副研究員，通訊作者為于貴研究員和浙江師范大學史柯利副教授。

圖2  具有全鎖定共軛骨架的高電子遷移率聚合物半導體材料