使用超分子聚合物实现高性能快响应n型有机电化学晶体管
近年来，OECT材料发展迅速。p型OECT聚合物展示出高器件性能和较快的开关响应速度，成功实现了多种生物电子应用。为了构筑基于OECT的互补逻辑电路，拓展器件的功能性和集成度，n型半导体材料受到了广泛关注，雷霆课题组也于近期成功实现了n型聚合物OECT材料的性能突破（,, 5970）。然而，聚合物存在着批次差异大，缺陷多和纯度低等问题，增加了OECT实际应用的风险。小分子材料具有精确的化学结构，无批次差异，在有机电子学的其他领域（如OFET，OPV等）已经展现出优异的载流子迁移率和器件性能。但是传统的小分子材料的设计策略无法直接用于OECT中。如图1所示，对于聚合物而言，“链缠结”使得离子可以在聚合物中较为自由地移动且能够保留电子的有效传输路径。然而，对于传统的小分子而言，由于分子间相互作用力较差，离子的渗入会严重破坏原本的电荷传输路径，无法实现载流子的有效传输，导致小分子OECT器件存在性能低、速度慢、稳定性差等问题。针对以上问题，本工作设计并合成的小分子TDPP-RD-G7（图2a）可以在溶液中表现出型自组装行为，形成超分子聚合物，并将这一特性保留到薄膜中，进一步形成“类共轭聚合物”的导电网络（图2b）。相比于对照分子TDPP-CN-G7，这种“类共轭聚合物”网络可以促进离子的快速移动并保留载流子的有效传输路径，使得器件可以在水溶液中稳定工作。TDPP-RD-G7在小分子OECT中展示了创纪录的快速开关响应（开/关时间为10.5/0.32 ms）和优异的品质因子C*（5.88 F cmVs），其性能甚至超过了很多n型共轭聚合物材料。这项工作揭示了制约小分子OECT性能的根本原因，并首次提出了构筑“超分子聚合物”这一有效解决办法，对于促进小分子OECT的发展具有启发性。本研究以“-Type Self-Assembled Supramolecular Polymers for High-Performance and Fast-Response n-Type Organic Electrochemical Transistors”为题发表在杂志上。北京大学博士后和博士研究生是本文的共同第一作者，是通讯作者。合作者包括香港浸会大学等。上述研究工作得到了国家自然科学基金、北京市自然科学基金，国家重点研发计划项目，北京大学高性能计算平台，北京大学化学与分子工程学院分子材料与纳米加工实验室（MMNL）仪器平台等的支持。