共軛關係是什麼意思

共軛高分子是一類典型的半剛性鏈高分子，由於π共軛體系的存在，表現出豐富的光學和電學效能。共軛高分子的凝聚態結構是影響體系光電效能如載流子遷移率的重要因素。由於載流子各向異性的傳輸特性，共軛高分子的晶型和晶界性質等對載流子的傳輸具有重要影響。如何調控共軛高分子的晶型及減少晶界具有重要的學術價值和現實應用意義。

最近，復旦大學高分子科學系/聚合物分子工程國家重點實驗室的彭娟教授設計併合成了一系列基於聚（3-烷基噻吩）和聚（3-烷基硒吩）的全共軛嵌段高分子，透過改變體系的分子結構包括主側鏈結構以及對體系在薄膜狀態進行後處理等，獲得了由不同嵌段構成的共晶結構。在此基礎上，以場效應電晶體作為平臺，將獲得的共軛嵌段高分子共晶用於實現其材料物理效能的提升。含有共軛鏈段的嵌段高分子體系也是研究嵌段高分子的微相分離行為和結晶行為這兩種基本相變如何協同與競爭並最終影響體系凝聚態結構和基本物理效能的理想的模型化合物。

圖1。 全共軛嵌段高分子的分子設計思路

他們首先設計合成了具有相同共軛主鏈、側鏈烷基長度不同的聚（3-丁基噻吩）-b-聚（3-己基噻吩）（P3BT-b-P3HT）嵌段高分子；然後改變共軛主鏈，得到聚（3-己基噻吩）-b-聚（3-丁基硒吩）（P3HT-b-P3BS）嵌段高分子。在此基礎上，將二嵌段高分子拓展到三嵌段高分子（P3AT-b-P3AT-b-P3AT），研究嵌段序列對體系共晶結構和微相分離結構的影響（圖1）。

圖2。 P3BT-b-P3HT共晶的示意圖及和對照樣載流子遷移率的比較。

例如，由於P3BT和P3HT具有相似的分子結構、相近的勢能和結晶動力學，不同分子量的P3BT-b-P3HT在初態下均形成共晶結構，P3BT和P3HT主鏈以edge-on方式排列，丁基和己基側鏈在（100）方向互相穿插形成層狀結構（圖2）。該共晶兼具P3BT和P3HT的優點，其載流子遷移率高於同等條件下各自的均聚物和共混物。當P3BT-b-P3HT經過二步退火後，隨著分子量的增加，P3BT-b-P3HT發生相分離的程度逐漸增加（圖3），對應的載流子遷移率相比初態的共晶大幅下降。這進一步說明，共軛嵌段高分子共晶結構減少了晶界，比相分離結構更有利於載流子的傳輸。

圖3。 P3BT-b-P3HT共晶到微相分離各自結晶的示意圖

和二嵌段高分子相比，全共軛三嵌段高分子多了嵌段序列這個結構變數，如三種單體可以組合成ABC、ACB和BAC三種不同序列的體系。因為三嵌段共聚物的結晶結構和微相分離行為和嵌段序列密切相關，因此他們利用改變體系的嵌段序列來進一步調控體系的共晶結構和效能。他們選擇4種不同烷基側鏈長度的噻吩單體，聚合得到了4個系列，12種三嵌段高分子（圖4）。實驗結果表明，在合適的溶劑中，不同嵌段序列的初態均形成了共晶，這很大程度上拓寬了共軛高分子共晶體系的範圍；並且在每個系列中，當短側鏈噻吩位於體系的中間位置時，體系具有最高的結晶程度和載流子遷移率。

圖4。 不同組合的全共軛聚噻吩三嵌段高分子及其共晶示意圖

聚（3-烷基噻吩）和聚（3-烷基硒吩）的化學結構簡單，相對容易獲得更加規整的結構。利用基於聚噻吩和聚硒吩嵌段高分子來研究共軛高分子凝聚態結構包括共晶結構及其與半導體效能之間的關聯，獲得的一些規律、機制有望推廣到其它效能非常優異、合成難度要求更高的新型共軛高分子體系。

以上工作發表在Macromolecules， 2020， 53， 5775-5786；Macromolecules， 2020， 53， 10245-10255和ACS Applied Materials & Interfaces， 2020， 12， 58094−58104。論文的第一作者分別為復旦大學高分子科學系翟大龍、尚鑫和陳淑雯，通訊作者為復旦大學高分子科學系彭娟教授。以上工作獲得國家自然科學基金的資助。

導師簡介

彭娟，復旦大學高分子科學系/聚合物分子工程國家重點實驗室教授。研究工作主要圍繞高分子凝聚態結構的調控，在半剛性共軛高分子、嵌段高分子、和有機/無機奈米複合結構等方面展開。主持了多項國家自然科學基金專案包括國家優秀青年科學基金。

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