摘要：近日，贵州大学刘迅成特聘教授团队在高分子顶级期刊Macromolecules（中科院一区TOP期刊，自然指数期刊）发表了题为“Precisely Regulating Interchain Aggregation and Film Crystallinity
近日，贵州大学刘迅成特聘教授团队在高分子顶级期刊Macromolecules（中科院一区TOP期刊，自然指数期刊）发表了题为“Precisely Regulating Interchain Aggregation and Film Crystallinity of Quinoidal Terpolymers for High-Performance Eco-friendly Transistors” 的研究论文。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2021级硕士研究生谢润泽为第一作者，2020级硕士研究生周全峰和2023级硕士研究生管平忠为共同第一作者，华南理工大学陈军武教授、美国劳伦斯伯克利国家实验室刘毅高级研究员和贵州大学刘迅成特聘教授为论文通讯作者。
高性能聚合物半导体材料的加工广泛使用有毒的卤化溶剂，这不仅会引发严重的环境问题，更阻碍了有机电子器件的大规模工业化生产。虽然三元共聚策略已被证明能够有效调控给体-受体型聚合物的光电性能，但这一方法在醌式体系中的应用和探究仍属空白。此外，醌式共轭聚合物因其刚性骨架和平面构型在电荷传输中表现出显著优势，但如何通过分子设计实现高性能且环保溶剂加工仍具挑战。
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(Macromolecules.2025, 58, 1011;Macromolecules.2024, 57, 5902;Adv. Sci.,2024, 2401345;Mater. Horiz., 2024, 11, 283;Acc. Chem. Res., 2023, 56, 1669;Adv. Funct. Mater., 2022, 2201903;Adv. Funct. Mater., 2018, 28, 1801874;J. Am. Chem. Soc., 2017, 139, 8355)，首次将三元共聚策略引入醌式体系，通过精确调控聚合物链间聚集行为和薄膜结晶度，实现了有机场效应晶体管（OFET）器件载流子迁移率和稳定性的显著提升。论文设计合成了一系列基于氮杂对苯二甲醌（AQM）的无规三元共聚物（PA-3Tm-4Tn），通过改变三联噻吩（3T）和四联噻吩（4T）单元的比例，系统调控了聚合物的溶解性、链间聚集和薄膜微观形貌。研究发现，增加4T含量能增强链间聚集作用，但同时会降低溶解性，从而显著影响分子链的堆积和器件性能。当采用氯苯作为加工溶剂时，所有三元共聚物的空穴迁移率和操作稳定性均优于相应的交替共聚物，其中4T含量为75%的聚合物PA-3T25-4T75由于具有最有序的微观形貌结构，实现了2.26 cm2V–1s–1的最高空穴迁移率。更重要的是，当采用环保溶剂四氢呋喃（THF）加工时，含25% 4T单元的聚合物PA-3T75-4T25展现出2.09 cm2–1s–1的空穴迁移率，创下了醌式聚合物基于环保溶剂加工的最高迁移率纪录。该研究不仅证实了三元共聚策略在提升醌式聚合物性能方面的有效性，更为发展环境友好型有机电子器件提供了新的设计思路。图1. (a) 前期研究中基于AQM和齐聚噻吩单元的醌式共聚物的结构与性能；(b) 本工作采用的三元共聚物策略示意图与聚合物性能；(c) 具有不同3T与4T单元比例的醌式三元共聚物PA-3Tm-4Tn的合成路线。
图3. (a)分子轨道分布与能级理论计算结果，(b)优化几何构型及各原子在Y坐标下的标准偏差，(c)五个聚合物四聚体的分子间结合能计算值；(d)五个聚合物四聚体在氯苯中的分子动力学模拟链间聚集行为（初始模型及298 K下200 ns模拟后的构象快照）。注：为简化计算，烷基链以甲基替代；为图示清晰，氯苯分子未显示。
图4. (a) 三元共聚物策略调控聚集行为的示意图：不同4T含量醌式聚合物从溶液态聚集体到薄膜微观结构的转变过程；(b) 五种聚合物的主链共平面性、侧链密度、结合能和薄膜结晶度对比。
图5. (a)基于氯苯或THF加工的三元共聚物退火OFETs的典型转移特性曲线；(b)输出特性曲线；(c)三元共聚物与两种参比共聚物的最大迁移率对比；(d)过去15年采用非卤代非芳香溶剂加工的共轭聚合物OFETs空穴迁移率对比
图6. (a)氯苯旋涂聚合物的未退火薄膜和(b)退火薄膜的二维GIWAXS图像；(c)氯苯和(d)THF旋涂聚合物退火薄膜的AFM图；(e)THF旋涂PA-3T75-4T25退火薄膜的二维GIWAXS图像；(f)聚合物退火薄膜面外方向的一维GIWAXS曲线；(g)退火聚合物的晶体相干长度、g因子与空穴迁移率对比。
该研究得到了国家自然科学基金委和贵州省科技厅科学技术基金的资助。该研究感谢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。
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，本、硕、博毕业于华南理工大学，美国加州大学伯克利分校/劳伦斯伯克利国家实验室联合培养博士。2019年就职贵州大学材料与冶金学院，研究领域是有机/聚合物半导体材料的设计合成及其在场效应晶体管、太阳能水电联产和生物光热治疗中的应用。主持国家自然科学基金2项，省部级科研项目6项（包括贵州省重点项目1项）。以通讯作者/第一作者在Journal of the American Chemical Society、Accounts of Chemical Research、Advanced Functional Materials、Advanced Science、Materials Horizons、Macromolecules等国际著名期刊发表论文数篇。
谢润泽，1997年3月出生，中共党员，本科毕业于华中科技大学，贵州大学材料与冶金学院2021级硕士研究生，导师为刘迅成特聘教授。主要研究方向为醌式半导体材料的合成及其在有机场效应晶体管中的应用，目前以第一作者/共同第一作者在Advanced Science、Macromolecules等中科院一区TOP期刊发表论文4篇，包括自然指数期刊3篇。
来源：高分子科学前沿
