北大Nat. Commun.：實現高性能n型有機電化學晶體管轉換！

一、【導讀】

有機電化學晶體管（OECTs）在神經接口器件、生物化學傳感器和神經形態計算等領域有著廣泛的應用，引起了人們的廣泛關注。各種p型聚合物已被開發用于高性能OECTs，其性能指標μC*超過了200 F cm^-1 V^-1 s^-1。p型聚合物響應速度快，τ_on/τ_off小于1/0.1 ms，有利于實時高速傳感應用。為了構建互補的邏輯電路，實現高靈敏度和多器件功能，需要具有相當性能的n型OECTs。遺憾的是，與p型OECTs材料相比，n型OECTs材料在數量和器件性能上都遠遠落后，μC*通常小于1 F cm^-1 V^-1 s^-1，τ_on/τ_off也超過了10 ms。

二、【成果掠影】

近日，北京大學雷霆研究員團隊研究表明，設計摻雜態對n型OECT聚合物更為關鍵。通過平衡供體部分的更多電荷，研究人員可以有效地將p型聚合物轉換為高性能n型材料。基于這一原理，聚合物P(gTDPP2FT)表現出創紀錄的高n型OECT性能，μC*為54.8? F cm^-1 V^-1 s^-1，遷移率為0.35 cm² V^-1 s^-1，響應速度τ_on/τ_off為1.75/0.15?ms。計算和比較研究表明，這種轉化主要是由于電荷更均勻、負極化子穩定、構象增強以及負電荷狀態下的主鏈平面性。該研究工作強調了聚合物“摻雜態工程”理解和關鍵作用。該論文以題為“Switching p-type to high-performance n-type organic electrochemical transistors via doped state engineering”發表在知名期刊Nature Communications上。

三、【核心創新點】

通過聚合物“摻雜態工程”，成功地將p型聚合物轉換為高性能n型材料，得到的聚合物P(gTDPP2FT)表現出創紀錄的高n型OECT性能，μC*為54.8? F cm^-1 V^-1 s^-1，遷移率為0.35 cm² V^-1 s^-1，響應速度τ_on/τ_off為1.75/0.15?ms。

四、【數據概覽】

圖一、聚合物P(gTDPPT) and P(gTDPP2FT)的合成路線圖 ? 2022 Springer Nature

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圖二、兩種聚合物的光電性能 ? 2022 Springer Nature

（a-b）P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)在氯苯溶液、薄膜和玻璃上退火膜（80℃，10分鐘）的歸一化紫外-可見光-近紅外吸收光譜。

（c）中性和負電荷狀態下P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)單體二面角的PES掃描對比。

（d）優化了單體的主鏈結構、鍵長和二面角。

（e-f）P(gTDPPT)和P(TDPP2FT)在0.1 M NaCl水溶液中在ITO玻璃上的電化學吸收光譜

圖三、P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)的OECT器件表征 ? 2022 Springer Nature

（a-d）P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)的傳輸性能（a,b）以及輸出性能（c,d）。

（e-f）P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)的瞬態開/關曲線。

（g）基于P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)互補逆變器的電壓傳輸特性和增益。

（h-i）P(gTDPP2FT)的μC*和μ、τ_on和μ值與其他n型OECT材料的對比。

圖四、分子堆積和形態表征 ? 2022 Springer Nature

（a-b）P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)的二維GIWAXS圖案。

（c-d）P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)的GIWAXS圖案的相應線切割。

（e-f）P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)的AFM高度圖像。

圖五、摻雜態工程 ? 2022 Springer Nature

（a）通過P(gTDPP2FT)的CV和μC*測量的LUMO能級與幾個報道的n型OECT材料的LUMO能級的比較。

（b）參考聚合物P(gPyDPPT)的化學結構式。

（c）比較由CV測量的HOMO/LUMO能級以及中性態和負電荷態之間的能量差。

（d-f）三種聚合物正負電荷三聚體的電荷分布比較。

（g-i）T/D碎片和二面體數之間的二面角分布。

五、【成果啟示】

綜上所述，研究人員提出了一種“摻雜態工程”策略來設計n型OECT聚合物，并有效地將典型的p型OECT聚合物轉換為高性能的n型OECT聚合物。研究表明，除了較低的LUMO能級外，電荷傳輸類型的開關機制主要是由于n摻雜后負電荷分布更加均勻、骨架平面度增強、構象穩定性更好以及負極化子更加穩定。這些特征使聚合物P(gTDPP2FT) 表現出純n型電荷傳輸行為，具有最高的電子遷移率為0.35 cm² V^-1 s^-1，最高的μC*值為54.8 F cm^-1 V^-1 s^-1，響應速度為τ_on/τ_off = 1.75/0.15 ms。本研究揭示了帶電態和中性態之間電子性質的顯著差異，并強調了未來高性能OECT材料設計的“摻雜態工程”策略。

文獻鏈接：Switching p-type to high-performance n-type organic electrochemical transistors via doped state engineering ( Nat. Commun. 2022, DOI: 10.1038/s41467-022-33553-w)