圖1 供體工程構建的高性能、高操作穩(wěn)定性的n型有機電化學晶體管材料
近期，華南理工大學前沿軟物質學院郭子豪副研究員團隊通過設計簡單的一步反應合成了一種富馬腈的衍生物2,3-二（噻吩-2-基）富馬腈（2,3-di(thiophen-2-yl)fumaronitrile，DTFMCN），作為一種“缺電子型電子供體”，該結構具有低的LUMO能級、良好的共軛性以及強烈的分子內相互作用。以DTFMCN為電子供體的D-A型聚合物混合離子-電子導體（polymeric mixed ionic–electronic conductors，PMIECs）在n型有機電化學晶體管（Organic electrochemical transistors，OECTs）中展現(xiàn)出超低的閾值電壓、優(yōu)異的操作穩(wěn)定性以及良好的離子-電子傳輸能力（圖1）。該工作以“Donor Engineering for High Performance n-Type OECT Materials with Exceptional Operational Stability”為題發(fā)表在《Angewandte Chemie International Edition》期刊上（Angew. Chem. Int. Ed. Doi：10.1002/ange.202513182）。
圖2 單體和聚合物的合成路線以及DTFMCN的單晶結構
傳統(tǒng)的氰基功能化噻吩型電子供體的合成通常需要較為繁瑣的合成步驟，且需要使用較為危險的化學試劑，例如氰化亞銅和四氯化鈦。本工作從市售的2-（噻吩-2-基）乙腈出發(fā)，經過簡單的乙醇鈉、碘單質或者醋酸銅的催化，可直接生成DTFMCN（圖2）。單晶結構顯示DTFMCN具有良好的骨架平面性以及存在分子內的S···N相互作用，這在一定程度上有利于維持在發(fā)生電化學摻雜時分子骨架的穩(wěn)定性。進一步制備成錫化的DTFMCN-2Sn與兩種不同乙二醇類（ethylene glycol，EG)側鏈取代的FBDOPV經過Stille反應制備成兩種PMIECs并應用于n型OECTs。
圖3. 基于S-DTFMCN和B-DTFMCN的OECTs器件測試表征
圖4. 基于S-DTFMCN和B-DTFMCN的操作穩(wěn)定性等相關測試表征
S-DTFMCN和B-DTFMCN在n型OECTs器件中有著較為突出的表現(xiàn)，閾值電壓分別為6和40 mV，μC*值分別達到了13.49和13.57 F cm?1 V ?1 s ?1。此外，值得注意的是，基于S-DTFMCN和B-DTFMCN的OECTs器件在0~0.3 V的施加電壓條件下表現(xiàn)出卓越的操作穩(wěn)定性，運行168分鐘的電流保持率能夠達到96 %，這對于n型OECTs器件長期穩(wěn)定的提供電流信號至關重要（圖3-4）。
文章第一作者是華南理工大學博士研究生丁日慶和南方科技大學碩士研究生張夏格。華南理工大學的郭子豪副研究員、南方科技大學的馮奎副教授為共同通訊作者。該研究也得到南方科技大學郭旭崗教授的支持和指導。同時，也感謝韓國高麗大學的Han Young Woo教授在形貌表征方面提供的支持。該研究獲得了國家自然科學基金、廣州科技發(fā)展計劃項目、聚合物化學與物理教育部重點實驗室等項目的共同資助。
論文信息：
Donor Engineering for High Performance n-Type OECT Materials with Exceptional Operational Stability
Riqing Ding#, Xiage Zhang#, Yidan Luan, Meishan Peng, Wantao Chen, Sijing Wang, Shengyao Su, Shunyang Lu, Sang Young Jeong, Han Young Woo, Xugang Guo, Kui Feng*, Zi-Hao Guo*.
Angew. Chem. Int. Ed.
Doi：10.1002/ange.202513182
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.202513182
