基于低溫溶液法制備的有機半導體器件成為過去20年科研界和工業界的關注熱點。與傳統的小分子共軛體系材料相比，共軛聚合物材料不僅具有優異的成膜性能、材料提純步驟簡單等特點，在機械性能和熱穩定性方面具有小分子共軛材料難以企及的優勢，是未來制備具有柔性、高熱穩定性光電器件的理想選擇。近日，蘇州大學功能納米與軟物質研究院的馬萬里教授（點擊查看介紹）課題組通過在共軛聚合物主鏈中進行精確的氟原子取代，實現了具有高熱穩定性有機場效應晶體管和低含量添加劑加工的高性能聚合物太陽能電池。
共軛聚合物分子骨架中的氫(H)-氟(F)原子取代證明是一種提升材料光伏性能的有效材料改性方法。F原子取代形成的分子內非共價鍵作用以及分子之間的F???H氫鍵作用可以顯著改善聚合物主鏈的共平面性和分子間相互作用力，實現提高電荷傳輸的目的。然而，目前文獻報道的單氟原子取代無法控制聚合物主鏈的規則取向，無規排列的聚合物理論上會帶來更多的材料缺陷，進而限制材料在器件中的應用。在美國加州大學圣塔芭芭拉分校(UCSB)聯培博士期間，現任蘇州大學副研究員的袁建宇等人在Guillermo C. Bazan的指導下，選取D-A-D'-A的三元聚合物主鏈結構，實現了可控單氟原子取代的共軛聚合物，制備了”Face-in” 和”Face-out”單氟原子取代的聚合物PF-1a和PF-1b。作為對比研究，無氟取代(PF-0)和多氟原子(PF-2)取代的聚合物也成功制備。通過X射線反射(XRR)和二維掠入式X射線散射技術(2D-GIWAXS)，結合理論模擬計算，他們首次深入系統地研究了氟原子取代以及朝向對分子排列、結晶晶粒大小、材料電荷密度等重要性能的影響，揭示了氟原子取代對材料本征性能的影響。
他們進一步將這一系列材料應用于有機光電器件中。在有機場效應晶體管中，氟原子的取代能顯著提高器件的遷移率，印證了前期的文獻報道。特別值得注意的是，氟原子的朝向對材料的載流子遷移率也有明顯的影響，更重要的是氟原子的取代數量和朝向對聚合物分子骨架的熱穩定性具有顯著影響。“Face-out”的單氟取代聚合物PF-1b和多氟取代聚合物PF-2在300 ℃依然保持良好的場效應晶體管輸出曲線和載流子遷移率。同樣在聚合物太陽能電池器件中，“Face-out”的單氟取代聚合物PF-1b能實現8.5%的最高光電轉換效率，再次證明不僅是氟原子的取代數目，氟原子的取代位點和分子主鏈的規整型對材料性能具有重要影響。除此之外，他們意外地發現氟原子取代可以降低制備器件時溶劑添加劑1,8-二碘辛烷(DIO)的使用量，DIO的殘余被認為是影響聚合物太陽能電池的重要因數，而采用PF-1a和PF-2制備電池只需要采用體積比0.5%的添加劑，相比于經典PTB7-Th體系中2.0-3.0%的使用量顯著降低，為后期制備具有高穩定性和無添加劑的器件制備提供了有效的理論指導和實驗路徑。
這一成果近期發表在美國化學會的期刊Chemistry of Materials 上，文章的第一作者是袁建宇副研究員，通訊作者是蘇州大學馬萬里教授和美國加州大學圣塔芭芭拉分校的Guillermo C.Bazan 教授。
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