北大裴坚教授课题组《Adv. Mater.》：共轭高分子的晶体与晶体结构

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共轭高分子因其柔性、可溶液加工、低成本等优点，在柔性显示、电子皮肤和生物传感等领域具有重要应用价值。共轭高分子在不同空间尺度上的多级结构决定了其在功能器件中的光电性能。由于共轭高分子通常具有：1）共轭芳香主链与饱和烷基侧链共存；2）一定的分子量分布；3）复杂的分子间相互作用；4）结晶区与无定形区共存，表征和精细调控共轭高分子多级结构具有困难。微观结构信息的不完整和缺失使得研究人员难以构建完整的“结构−性能”关系，指导共轭高分子的开发。共轭高分子通常只能通过溶液方式进行加工，因此通过溶液环境来控制高分子的组装结构可能是调控共轭高分子多级组装结构的有效方法。若通过溶液法生长可解析的高分子晶体，则可以进一步获得共轭高分子可能的晶体结构，这将成为理解共轭高分子的多级组装结构和电荷传输机制的关键信息。

北京大学化学与分子工程学院的裴坚教授课题组提出了通过溶液生长条件来调控共轭高分子的溶液聚集和结晶过程，进而促进共轭高分子在稀溶液中的组装并最终形成微米线晶体（图1）。在稀溶液中（0.01 to 0.05 mg mL⁻¹），共轭高分子F₄BDOPV-2T在高温下具有更多的分子构象，形成溶剂化的高分子链，随着溶液温度的缓慢下降和聚集体的进一步生长，共轭高分子F₄BDOPV-2T最终可以形成具有微米线形貌的晶体。利用上海光源同步辐射进行粉末X射线衍射，结合分子模拟和X射线衍射拟合，作者搭建了F₄BDOPV-2T可能的晶体堆积结构，并在晶体结构的基础上分析了共轭高分子的链内与链间的电子结构和电荷传输性能。同时，作者构筑了F₄BDOPV-2T微米线晶体场效应晶体管，表现出比薄膜场效应晶体管更高的电子迁移率和更低的跃迁活化能。

图1. 共轭高分子F₄BDOPV-2T的晶体与晶体结构。a）微米线晶体示意图；b）晶体生长过程示意图；c）晶体堆积结构；d）化学结构；e，f）微米线晶体的光学显微镜图片与电子显微镜图片。

图2. 共轭高分子P(NDI2OD-T2)的晶体与晶体结构。a）化学结构；b）微米线场效应晶体管的电子显微镜图片；c，d）微米线与薄膜场效应晶体管性能比较；e）粉末X射线衍射；f，g）晶体结构。

为了进一步验证该方法的普适性，作者选取了另外一种广为使用的n型共轭高分子（P(NDI2OD-T2)，图2）。他们通过相似的生长和解析方法获得了该高分子可能的晶体堆积结构。同时，P(NDI2OD-T2)微米线晶体也表现出比高分子薄膜更高的电子迁移率。因此，此工作报导的高分子晶体生长方法和晶体结构解析方法对不同化学的共轭高分子具有一定的普适性。基于晶体堆积结构，共轭高分子的相关研究将更加深入，并有望总结出更精确的分子设计策略，指导开发高性能的共轭高分子材料与器件。

以上研究成果近日发表于Advanced Materials，论文的第一作者是北京大学化学与分子工程学院博士研究生姚泽凡，通讯作者是北京大学化学与分子工程学院裴坚教授。

参考文献：

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

论文链接：

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202006794

作者简介：

裴坚，北京大学化学与分子工程学院教授，目前研究方向为有机共轭高分子材料的合成、表征及器件化研究。已在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater. Nat. Commun.等国内外知名期刊上发表200余篇学术论文。课题组近期研究重点关注新型共轭高分子的设计与合成；共轭高分子的多尺度聚集结构；高性能高分子光电器件的开发与应用。

课题组主页：

http://www.chem.pku.edu.cn/pei/index.htm

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