斯坦福大学鲍哲南院士团队JACS：可拉伸的高性能聚合物半导体

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近年来，可穿戴电子器件的发展对于导电高分子的性能提出了越来越高的要求，例如可拉伸性和良好的导电性。然而，如何同时实现以上两种性质仍然是一个巨大的挑战。通常来说，导电聚合物具有刚性的连续共轭主链，材料性质硬而脆，而向其主链上引入柔性链段，可以提高其可拉伸性。但是，引入的柔性链段一般不具有导电性，从而阻碍了高分子链内的电荷传递，使得材料的导电性能大大下降。

本文中，作者通过将具有共轭骨架的无定型链段引入导电高分子，巧妙地同时实现了良好的可拉伸性和导电性（图1）。具体来说，作者采用共轭的刚性稠环结构作为无定型链段，阻碍易结晶链段的结晶行为。相比于之前工作中的不导电柔性链段，此刚性无定型链段不会破坏聚合物主链的共轭，并且同样可以提高材料的延展性，最终使“鱼与熊掌”可以兼得。

图1. 本工作设计

基于以上设计，作者对刚性稠环模块X的化学结构进行了设计与筛选（图2）。作者挑选的X模块按照化学结构可分为Ph-DBTTT和IDT两类。对于DBTTT结构，引入两个苯基的目的是通过和主链形成较大的二面角而阻碍链间的π-π堆积。对于IDT结构，侧链苯基的引入也是基于相同目的。并且，苯基的对位还连接有大体积的烷基或烷氧基取代基，这也是为了降低聚合物主链的聚集倾向、抑制结晶。

图2. 刚性稠环X的筛选

经过筛选，作者发现聚合物PIDT-3T-OC12-10%表现出了最为优异的性质。由其制作的薄膜，在75%的应变下，电荷载流子迁移率（charge carrier mobility）仍可达0.27 cm² V⁻¹ s⁻¹（平行于拉伸方向，下同）。并且，在25%的较低应变下，500个拉伸循环后，迁移率仍保持在0.22 cm² V⁻¹ s⁻¹。以上的优异性质使得PIDT-3T-OC12-10%成为具有潜在应用价值的聚合物半导体材料。

综上，作者使用无定型刚性稠环共轭结构作为共轭聚合物的连接单元，在保持主链良好导电性的同时，实现了较好的可拉伸性。

该研究进展以 A Design Strategy for Intrinsically Stretchable High-Performance Polymer Semiconductors: Incorporating Conjugated Rigid Fused-Rings with Bulky Side Groups 为题发表在JACS上。该工作的通讯作者是来自斯坦福大学的鲍哲南院士。

原文链接: 

https://doi.org/10.1021/jacs.1c04984

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