研究背景
n型有機半導體是邏輯互補型有機電子器件的基本組成部分，為了實現互補金屬氧化半導體（CMOS）類邏輯電路和其他類型的p-n結器件，高性能的p型和n型半導體都是必不可少的。然而，目前n型有機半導體在器件性能方面的發展遠遠落后p型材料。因此，設計合成出高電子遷移率（μe）的n 型有機聚合物半導體材料仍然是有機半導體領域中的一個巨大挑戰。
Y-系列非富勒烯受體衍生物（Y-series non-fullerene acceptors (NFAs)）已被證明是構建高性能非富勒烯太陽能電池的最成功的受體材料。然而，Y-系列非富勒烯受體衍生物本身作為n型有機半導體材料，其分子固態堆積結構與其載流子輸運之間的規律尚未得到詳細的研究。
基于此，復旦大學材料科學系劉云圻院士/王洋團隊提出了一種利用側鏈工程以調控晶體堆積的方法，詳細地研究了Y-系列非富勒烯受體衍生物的固態堆積結構與其載流子輸運之間的規律，并成功開發了電子遷移率高達1.42 cm2 V?1 s?1的單晶OFET晶體管。該研究以題為《Manipulating crystal stacking by sidechain engineering for high-performance n-type organic semiconductors》于近日發表在《Advanced Functional Materials》期刊上。復旦大學材料科學系博士后陳于中和博士生吳锃為共同第一作者，王洋青年研究員為獨立通訊作者，復旦大學材料科學系為獨立通訊單位。該工作得到了劉云圻院士的悉心指導。
文章簡介
基于前期報道的NFA化合物Y6-1O，1OBO-1, 1OBO-2,和1OBO-3通過在其并噻吩β位進行支化烷氧鏈和支化烷基鏈取代的方法被合成出來(分子結構見下圖)。
通過光物理化學和電化學CV測試表明，這些受體分子材料的吸收和能級不隨側鏈的改變為改變（如下圖所示）。
然后，這些受體分子的載流子遷移率卻隨著側鏈的改變而發生了巨大的變化。這在Y6-1O 和 1OBO-2 的單晶結構中得到了很好的闡釋。如下圖C所示單晶XRD結構解析表明Y6-1O更容易形成二維磚塊狀堆積并具有相對較長的pi-pi堆積結構（3.50埃）。而1OBO-2更加傾向于形成三維孔狀交叉互聯網絡結構并具有相對更短的pi-pi堆積結構（3.46埃），這更加有利于電子載流子的傳輸（如下圖所示）。隨后的量子計算化學也表明1OBO-2具有更大的電荷轉移積分，從而有利于電子遷移率的提升。
最后，單晶OFET晶體管測試印證了上述結果。基于1OBO-2非富勒烯受體衍生物的單晶OFET展示了高達1.42 cm2 V?1 s?1的電子遷移率，是迄今為止報道過的基于非富勒烯受體衍生物的單極性n型單晶OFET晶體管的最高性能 （如下圖所示）。
整體而言，上述工作表明Y-系列非富勒烯受體衍生物本身作為n型有機半導體材料，在n型晶體管中具有較好的應用前景。更重要的是，Y-系列非富勒烯受體衍生物的分子固態堆積結構與其載流子輸運之間的規律在本工作中得到了闡釋，這為未來應用于有機太陽能電池和晶體管的具有更高性能的非富勒烯受體衍生物設計指明了方向。該研究工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金和復旦大學聚合物分子工程國家重點實驗室等的共同資助。
【通訊作者簡介】
王洋，1987年生，浙江紹興人。現任復旦大學材料科學系青年研究員、聚合物分子工程國家重點實驗室PI、博士研究生導師。入選上海市人才計劃、上海市東方學者特聘教授（2020）。2010年本科畢業于西北工業大學，2013年碩士畢業于中科院寧波材料所，師從葛子義研究員。2017年博士畢業于日本東京工業大學，隨后獲日本學術振興會JSPS特別研究員資助在RIKEN (CEMS)開展博士后研究工作，師從K.Takimiya (瀧宮和男)教授。2020年加盟劉云圻院士團隊，獨立開展研究。主要圍繞n型半導體聚合物的設計合成、微納結構調控及其多功能器件應用三個層面而展開研究。迄今以第一/通訊作者(含共同)在Matter, AM(3), JACS, Angew, AFM(5)等期刊上發表論文50余篇。受邀在Trends in Chemistry 發表獨立通訊的綜述文章。2023年入選英國皇家化學會ChemComm新銳科學家，擔任polymers期刊客座編輯。作為負責人主持多項國家自然科學基金和上海市自然科學基金項目。
復旦大學劉云圻院士/王洋團隊誠聘博士后
