可伸缩和可整合的电子器件最近被广泛应用在可穿戴电子产品和生物医疗设备。目前，人们已经报道了几种实现可伸展电子器件的方法，例如几何工程以及使用本质上可伸缩的电子材料。其中，具有本征可伸缩的聚合物半导体因其低成本、可大面积印刷和高密度器件制造而有望广泛应用于可伸缩电子器件中。然而，同时具有电子性能和机械拉伸性能的可伸缩材料开发仍然是一个挑战。
近日，受先前关于刚性稠环芳香族结构报道的启发，美国斯坦福大学鲍哲南教授报道了提出了一种设计本征可伸缩的高性能聚合物半导体的策略。在聚合物中用刚性共轭稠环取代前面描述的柔性共轭断裂连接基，它们仍然能够沿着聚合物主干保持共轭。此外，在稠环上引入体积较大的侧基来诱导无定形结构域的形成将潜在地有助于改善拉伸性。
文章要点
1）研究人员设计并合成了一系列聚合物。对于结晶部分，选择了3,6-双(噻吩-2-基)二酮吡咯（TDPP）和噻吩[3,2-b]噻吩（TT）单体，它们具有良好的溶液加工性和良好的载流子迁移率。对于非晶段，设计了两种刚性共轭稠环，并在苯基DBTTT（Ph-DBTTT）体系中引入了两个苯环作为侧基。理论上，取代基与主链形成较大的二面角，减少了π堆积的倾向。而在在IDT体系中，研究了增加苯基侧链的IDT单体（IDT-2T）及其衍生物（IDT-3T和IDT-4T）。这些刚性稠环在主链上桥联了sp3碳原子，允许连接大量的取代基，这可能有助于降低生成的聚合物的强烈聚集倾向，降低结晶度。此外，在苯侧基团的对位用较长的烷氧基链取代了烷基链，以进一步控制聚集性和结晶度。
2）将这些刚性稠环组装到聚合物骨架上后，研究人员对其形貌、机械性能和电学性能进行了全面的表征和比较。结果显示，在IDT体系中，聚合物PIDT-3T-OC12-10%表现出良好的电性能和机械性能。在全可伸缩晶体管测试中，聚合物PIDT-3T-OC12-10%在75%应变下表现出0.27 cm2 V−1 s−1的迁移率，并在25%应变下经历数百次拉伸−释放循环后仍保持其迁移率。
研究结果表明，引入共轭刚性稠环，结合适当的大分子侧基，是开发本征可伸缩高性能聚合物半导体的有效途径。
参考文献
Deyu Liu, et al, A Design Strategy for Intrinsically Stretchable High-Performance Polymer Semiconductors: Incorporating Conjugated Rigid Fused-Rings with Bulky Side Groups, J. Am. Chem. Soc., 2021
DOI: 10.1021/jacs.1c04984
https://doi.org/10.1021/jacs.1c04984
