2022年4月27日，复旦大学资料科学系刘云圻院士-王洋团队在Cell Press细胞出书社期刊Matter上宣布了题为“An all-C–H-activation strategy to rapidly synthesize high-mobility well-balanced ambipolar semiconducting polymers”的最新研讨效果。该研讨工作报导了一种全C-H活化战略，能够在2h内快速组成一系列分子量可控的高功用、杰出平衡双极性的半导体聚合物，并在柔性薄膜晶体管中，得到高达3.56/3.75 cm2 V−1 s−1的空穴/电子迁移率。该工作为高效组成高功用双极性半导体聚合物供给了一个有用办法，并为柔性电子科技类产品的广泛使用拓荒了路途。

  榜首署名单位为复旦大学资料科学系，2020级博士研讨生沈涛和硕士研讨生李文豪为该论文的一起榜首作者，王洋青年研讨员为“Lead contact”通讯作者，赵岩青年研讨员和刘云圻院士为一起通讯作者。

  具有高迁移率的平衡双极性半导体聚合物，是使用于下一代柔性电子电路的抱负半导体层资料。虽然现在依据DPP的聚合物半导体现已展现出最高可达10 cm2 V−1 s−1的空穴迁移率，但至少有3个科学问题约束了它们作为双极性传输资料的实际使用。榜首，双极性传输的平衡性调控困难。也便是说很难得到μh和μe一起超越3 cm2 V−1 s−1，且μh/μe≈1的高功用、双极性平衡的半导体聚合物。第二，组成上的应战。依据DPP类聚合物和其他高功用半导体聚合物的组成进程一般繁琐且副产物会对环境能够形成污染。现在，绝大多数高迁移率资料仍是依据C-Sn与C-Br的反响（也便是Stille偶联）；而有机锡试剂官能团化之后的提纯很困难且其毒性较大，对环境很不友爱，原子经济性差。这在很大程度上阻止了此类半导体聚合物未来商业化使用的开展。另一方面，C–H活化聚合即“直接芳基化聚合”（DArP）是代替Stille偶联的有力替补，具有环境友爱、原子经济性很高的特征，但仍存在反响活性低、氢化单体有限及其组成进程繁琐等缺乏。第三，高分子量（高功用）与低溶液加工性之间的对立。关于DPP类聚合物而言，分子量越高，其迁移率也会越高；但高分子量往往会导致溶解度较低和溶液加工性较差的问题。所以，关于分子量的操控显得很重要，能够到达一个半导体功用和溶液加工性的平衡。上述3个科学问题的处理关于绿色组成高迁移率和高溶液加工性的平衡双极性半导体聚合物至关重要。

  近来，复旦大学资料科学系刘云圻院士-王洋团队展现了一种新式全C-H活化战略，来快速组成分子量可控的高功用平衡双极性聚合物。该办法从单体组成到取得终究的半导体聚合物，能够在2小时内高效完结。这种全C–H活化战略所需反响时间仅为经典C(sp2)–C(sp2)偶联反响办法（Stille和Suzuki偶联）的2%，且总产率是经典办法的4倍。所得聚合物在以PET为基底的柔性晶体管中表现出高功用的平衡双极性特征，空穴和电子迁移率别离高达3.56和3.75 cm2 V−1 s−1，μh/μe≈1。

  该论文首要规划组成了全新的DPP二聚体型氢化单体（DTD），为了进一步调整聚合物的前沿分子轨迹（FMO）能级和分子堆积，在DTD的根底上引入氟原子得到DFD单体。两个新的受体单元能够在1小时内经过C-H活化得到，然后在DArP条件下直接与二溴化受体单元，如苯并噻二唑（BT）、苯并噁二唑（BO）和苯并硒二唑（BSe）聚合，在1小时内得到一系列的受体-受体型聚合物。这种全C–H活化战略所需反响时间仅为经典C(sp2)–C(sp2)偶联反响办法（Stille和Suzuki偶联）的2%，且总产率是经典办法的4倍。

  进一步发现在1h以内，该DArP的数均分子质量（Mn）与反响时间（T）呈线性联系。也便是说经过改动反响时间，能够准确操控所得聚合物的分子量，完成对聚合物功用和溶液加工性的调控。经过紫外-可见-近红外吸收光谱剖析可得，氟原子的引入增加了主链H-集合程度。此外，DFT核算标明聚合物链中存在着S∙∙∙F非共价相互作用，它改进了主链平面性，例如，氟化后的PDFD-BT分子表现出更好的平面骨架，增强了分子间π-π相互作用。上述试验标明F替代有利于改进聚合物在固体薄膜中的堆积，然后取得更高的迁移率。

  接着，为了评价这些聚合物的电荷传输特性，在PET衬底上制备了顶栅底触摸（TG/BC）柔性场效应晶体管。依据效果得出，与非氟化聚合物比较，三种氟化聚合物表现出更高、更平衡的双极性电荷传输特性，μe简直进步了2到3倍。其间氟化聚合物PDFD-BT显示出杰出平衡的空穴/电子迁移率值，别离高达3.56和3.75 cm2 V−1 s−1，μh/μe≈1，是已报导的依据DPP类双极性聚合物的最佳功用之一。此外，论文还进一步探求并剖析了聚合物分子量与迁移率之间的联系。

  最终，论文还研讨了F原子替代对系列聚合物薄膜的结晶和堆积方法的影响，进一步阐释了氟替代进步迁移率的机理。二维掠入射广角X射线D-GIWAXS）试验标明，氟化聚合物的π-π堆积间隔比非氟化聚合物更短，这首要源于氟化聚合物的非共价相互作用平和面的主链。更短的π-π堆积间隔有利于氟化聚合物迁移率的提高。

  综上所述，该论文展现了一种全C-H活化战略，能够绿色高效地组成高迁移率、分子量可控的双极性半导体聚合物，并将其使用于柔性有机薄膜晶体管中，得到了近乎抱负平衡的空穴和电子迁移率值，别离高达3.56和3.75 cm2 V-1 s-1。这种简略又高效的战略，为未来大规模工业化出产高功用双极性半导体聚合物打下根底，也为有机柔性电子科技类产品的广泛使用拓荒了路途。

  刘云圻，1949年4月生，江苏靖江人。物理化学家，我国科学院院士，第三世界科学院院士。复旦大学资料科学系教授，中科院北京化学研讨所研讨员。1975年本科结业于南京大学化学系，1985年至1988年，在日本理化学研讨所（RIEKN）进修。1991年，于日本东京工业大学获博士学位。长时间从事分子资料的规划、组成，包含π共轭小分子/高分子，碳纳米管和石墨烯，以及这些资料在电子器材中的使用，包含发光二极管、场效应晶体管和分子器材。宣布SCI论文700余篇（他引5万余次，h因子大于110），获授权我国发明专利80项，出书专著1部及19章节，在国内外学术会议上做大会/主题陈述150余次。2007、2016、2019年获国家自然科学二等奖各一项，2017年度获北京市自然科学一等奖。2014-2021年接连当选汤森路透（科睿唯安）全球高被引科学家名录。曾任科技部国家重点根底研讨开展方案（973方案）严重科学前沿范畴第四届专家咨询组副组长，现在担任我国化学会有机固体专业委员会副主任、我国资料研讨学会功用分子资料和器材分会主任和Nanoscale、ACS Materials Letter、Smart Mat.等6种期刊的编委/参谋委员会成员。

  赵岩，复旦大学资料科学系青年研讨员，博士生导师。于山东大学取得学士学位，我国科学院化学研讨所取得博士学位，随后在美国普渡大学从事博士后研讨。2018年参加复旦大学资料科学系，研讨方向首要集中于聚合物半导体的加工工艺，聚合物晶体管的器材表征及其在柔性、可穿戴有机电子中的使用。在相关学术期刊宣布论文70余篇，引证5000余次，请求我国、美国发明专利十余项，担任SmartMat、Chinese Chemical Letters期刊青年编委。

  王洋，1987年5月生，浙江绍兴人。复旦大学资料科学系青年研讨员，本科结业于西北工业大学，硕士结业于中科院宁波资料所，师从国家杰出青年基金取得者、英国皇家化学会会士葛子义研讨员。博士结业于日本东京工业大学，随后以日本学术振兴会JSPS特别研讨员身份在日本理化学研讨所（RIKEN）开展工作，师从有机半导体资料学家Kazuo Takimiya教授。2020年加盟复旦大学资料系刘云圻院士团队。近年来在聚合物半导体范畴取得了特征效果，环绕n-型/双极性聚合物半导体的规划组成、集合态结构调控和器材使用三个层面打开研讨，着眼于从分子水平上体系而深化地探求分子结构特性与载流子输运的联系规则。迄今宣布论文40多篇，包含以通讯作者和榜首作者宣布在Matter、JACS、Angew.Chem.、Adv.Mater.、Adv.Funct.Mater.等期刊上。当选2020年度上海市东方学者特聘教授和上海市海外高层次人才引入方案。曾获日本东京工业大学手岛精一留念研讨奖、浙江省自然科学二等奖、我国国家优异自费留学生奖学金、日本政府MEXT国费留学生奖学金等荣誉。

  论文原文刊载于CellPress细胞出书社旗下期刊Matter上，点击“阅览原文”或扫描下方二维码检查论文

  本文为汹涌号作者或组织在汹涌新闻上传并发布，仅代表该作者或组织观念，不代表汹涌新闻的观念或态度，汹涌新闻仅供给信息发布渠道。请求汹涌号请用电脑拜访。