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  共軛高分子因其柔性、可溶液加工、低成本等優(yōu)點，在柔性顯示、電子皮膚和生物傳感等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價值。共軛高分子在不同空間尺度上的多級結(jié)構(gòu)決定了其在功能器件中的光電性能。由于共軛高分子通常具有：1）共軛芳香主鏈與飽和烷基側(cè)鏈共存；2）一定的分子量分布；3）復(fù)雜的分子間相互作用；4）結(jié)晶區(qū)與無定形區(qū)共存，表征和精細調(diào)控共軛高分子多級結(jié)構(gòu)具有困難。微觀結(jié)構(gòu)信息的不完整和缺失使得研究人員難以構(gòu)建完整的“結(jié)構(gòu)?性能”關(guān)系，指導(dǎo)共軛高分子的開發(fā)。共軛高分子通常只能通過溶液方式進行加工，因此通過溶液環(huán)境來控制高分子的組裝結(jié)構(gòu)可能是調(diào)控共軛高分子多級組裝結(jié)構(gòu)的有效方法。若通過溶液法生長可解析的高分子晶體，則可以進一步獲得共軛高分子可能的晶體結(jié)構(gòu)，這將成為理解共軛高分子的多級組裝結(jié)構(gòu)和電荷傳輸機制的關(guān)鍵信息。

  北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院的裴堅教授課題組提出了通過溶液生長條件來調(diào)控共軛高分子的溶液聚集和結(jié)晶過程，進而促進共軛高分子在稀溶液中的組裝并最終形成微米線晶體（圖1）。在稀溶液中（0.01 to 0.05 mg mL^?1），共軛高分子F₄BDOPV-2T在高溫下具有更多的分子構(gòu)象，形成溶劑化的高分子鏈，隨著溶液溫度的緩慢下降和聚集體的進一步生長，共軛高分子F₄BDOPV-2T最終可以形成具有微米線形貌的晶體。利用上海光源同步輻射進行粉末X射線衍射，結(jié)合分子模擬和X射線衍射擬合，作者搭建了F₄BDOPV-2T可能的晶體堆積結(jié)構(gòu)，并在晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上分析了共軛高分子的鏈內(nèi)與鏈間的電子結(jié)構(gòu)和電荷傳輸性能。同時，作者構(gòu)筑了F₄BDOPV-2T微米線晶體場效應(yīng)晶體管，表現(xiàn)出比薄膜場效應(yīng)晶體管更高的電子遷移率和更低的躍遷活化能。

圖1. 共軛高分子F₄BDOPV-2T的晶體與晶體結(jié)構(gòu)。a）微米線晶體示意圖；b）晶體生長過程示意圖；c）晶體堆積結(jié)構(gòu)；d）化學(xué)結(jié)構(gòu)；e，f）微米線晶體的光學(xué)顯微鏡圖片與電子顯微鏡圖片。

圖2. 共軛高分子P(NDI2OD-T2)的晶體與晶體結(jié)構(gòu)。a）化學(xué)結(jié)構(gòu)；b）微米線場效應(yīng)晶體管的電子顯微鏡圖片；c，d）微米線與薄膜場效應(yīng)晶體管性能比較；e）粉末X射線衍射；f，g）晶體結(jié)構(gòu)。

  為了進一步驗證該方法的普適性，作者選取了另外一種廣為使用的n型共軛高分子（P(NDI2OD-T2)，圖2）。他們通過相似的生長和解析方法獲得了該高分子可能的晶體堆積結(jié)構(gòu)。同時，P(NDI2OD-T2)微米線晶體也表現(xiàn)出比高分子薄膜更高的電子遷移率。因此，此工作報導(dǎo)的高分子晶體生長方法和晶體結(jié)構(gòu)解析方法對不同化學(xué)的共軛高分子具有一定的普適性。基于晶體堆積結(jié)構(gòu)，共軛高分子的相關(guān)研究將更加深入，并有望總結(jié)出更精確的分子設(shè)計策略，指導(dǎo)開發(fā)高性能的共軛高分子材料與器件。

  以上研究成果近日發(fā)表于Advanced Materials，論文的第一作者是北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院博士研究生姚澤凡，通訊作者是北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院裴堅教授。

  參考文獻：Ze-Fan Yao, Yu-Qing Zheng, Jin-Hu Dou, Yang Lu, Yi-Fan Ding, Li Ding, Jie-Yu Wang, Jian Pei, Approaching Crystal Structure and High Electron Mobility in Conjugated Polymer Crystals, Advanced Materials, 2021, DOI: 10.1002/adma.202006794

  論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006794

作者簡介：

  裴堅，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授，目前研究方向為有機共軛高分子材料的合成、表征及器件化研究。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater. Nat. Commun.等國內(nèi)外知名期刊上發(fā)表200余篇學(xué)術(shù)論文。課題組近期研究重點關(guān)注新型共軛高分子的設(shè)計與合成；共軛高分子的多尺度聚集結(jié)構(gòu)；高性能高分子光電器件的開發(fā)與應(yīng)用。

  課題組主頁：http://www.chem.pku.edu.cn/pei/index.htm

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