北化甄永刚Sci. Adv原位连续氢键工程实现本征可拉伸和可愈合聚合物半导体

作为可穿戴电子设备的关键部件，本征可拉伸和可愈合半导体聚合物十分稀缺，因为载流子迁移率通常会随着可拉伸性和自愈性的增加而降低。在这里，我们将逐步聚合和热转换结合起来，在聚合物骨架中引入原位连续氢键位点，而不破坏共轭或引入笨重的软侧链，从而有利于链内和链间电荷传输。我们证明，规则的序列结构有利于形成高度聚集的大纳米纤维，使疏松多孔的薄膜同时具有更好的电荷传输、拉伸性和自愈性。经过愈合处理后，受损器件的迁移率可恢复到81%。基于所设计聚合物的完全可拉伸晶体管在100%应变下的迁移率大大提高，达到1.08 cm2V−1s−1，这是一个前所未有的数值，为开发本征可拉伸和可愈合半导体聚合物迈出了重要一步。

图文简介

本征可拉伸聚合物的设计策略

两种可拉伸聚合物re-PNHDPP和ir-PNHDPP的电荷传输性能

拉伸时re-PNHDPP和ir-PNHDPP薄膜的微观形貌、链排列和结晶性能

re-PNHDPP和ir-PNHDPP的变形机制

优化聚合物结构和基于优化聚合物bl-PNHDPP的完全可拉伸晶体管

总之，我们通过逐步聚合的方法合成聚合物前驱体，通过热转化在共轭主链上原位引入连续的氢键位点，开发出了本征可拉伸、可愈合和高流动性的聚合物半导体。所设计的聚合物半导体既不会破坏聚合物骨架的共轭，也不会引入笨重的软侧链，因此在保持高电荷载流子迁移率的同时，还能提高拉伸性和愈合性。由连续的N-烷基段和连续的N-H段组成的规则序列结构有利于形成疏松、多孔和纤维状的微结构，并具有高度聚集性、长程有序性和更高的链动力学，从而同时改善电荷传输和拉伸性。另一方面，连续的氢键能够通过非共价键的断裂或重建来实现能量耗散或愈合机制。因此，在75%的应变下，re-PNHDPP 聚合物的载流子迁移率提高了1.8 倍，这在施加应变时迁移率降低的本征可拉伸聚合物半导体中是罕见的。经过溶剂和热修复处理后，受损的再PNHDPP薄膜在形态和电学特性方面几乎可以恢复。此外，由于嵌段聚合物bl-PNHDPP的序列结构更加规整，因此在应变时表现出更高的载流子迁移率。基于bl-PNHDPP 的完全可拉伸晶体管在100%应变条件下显示出了高达1.08 cm2V−1s−1的出色迁移率，这在本征可拉伸和可愈合半导体聚合物中是前所未有的。此外，这种可拉伸晶体管即使在反复承受应变的情况下也不会出现性能下降。在共轭骨架中加入连续的氢键位点为解决电荷传输、拉伸性和自愈能力这三个长期存在的问题提供了一种可行的策略。

论文信息

通讯作者：Yonggang Zhen