引言

有機高分子半導體材料，作為一類具有半導體特性的有機高分子化合物，近年來在電子器件、光電器件、傳感器以及能量轉換與存儲等領域展現出了巨大的應用潛力。這些材料不僅具有質量輕、柔韌性好、可溶液加工等優(yōu)點，而且其電子結構、光電性質以及加工性能可以通過分子設計進行精細調控，從而滿足不同應用需求。

為什么高分子材料能做半導體材料？

有機高分子半導體材料是指一類由共軛有機分子鏈構成的高分子化合物，這些共軛分子鏈通過π電子共軛體系實現電荷傳輸，從而表現出半導體特性。這類材料通常具有較低的載流子遷移率，但其獨特的分子結構和可加工性使其在柔性電子器件和光電器件中具有獨特優(yōu)勢。

幾大優(yōu)勢：

化學結構易修飾：高分子半導體材料的化學結構可以通過合成方法進行精確控制，從而調整其電學性能。

可溶液加工性：高分子半導體材料可以通過溶液加工方法制備成薄膜，降低了生產成本，提高了生產效率。

柔性：高分子半導體材料具有柔韌性，可以適應各種形狀和尺寸的電子設備，為可穿戴設備和柔性電子器件提供了可能。

生物相容性：部分高分子半導體材料具有良好的生物相容性，適用于生物電子和生物醫(yī)學領域。

有關高分子半導體材料的理論之一

有機半導體材料中的空穴和電子態(tài)是其基礎科學和器件應用的重要問題之一。使用電子自旋共振 （ESR） 光譜展示典型有機半導體材料、聚合物區(qū)域規(guī)則聚（3-己基噻吩）（RRP3HT）和小分子戊二烯中空穴和電子的電可控自旋態(tài)。通過使用他們的雙極有機半導體器件，這些狀態(tài)被揭示為累積電荷密度的函數。在RR-P3HT中，隨著電積累孔穴密度的增加，其自旋狀態(tài)從單正電荷雙極化子或正極化子對轉變?yōu)闊o自旋狀態(tài)。在并五苯中，同樣觀察到了高電荷密度下孔穴無自旋狀態(tài)的形成。此外，還首次觀察到了RR-P3HT中電積累電子的無自旋狀態(tài)。這一結果對于進一步低估有機半導體材料中的空穴和電子態(tài)以及從微觀角度提高有機半導體器件的性能非常重要。

具體材料及其性質和應用

聚噻吩及其衍生物

性質：聚噻吩及其衍生物是一類典型的有機高分子半導體材料，具有良好的環(huán)境穩(wěn)定性和較高的空穴遷移率。通過側鏈修飾和摻雜，可以進一步調控其電導率和光電性質。

應用：聚噻吩及其衍生物廣泛應用于有機場效應晶體管（OFETs）、有機太陽能電池（OSCs）和有機發(fā)光二極管（OLEDs）等領域。例如，聚（3-己基噻吩）（P3HT）是OFETs中最常用的材料之一。

聚苯撐乙烯及其衍生物

性質：聚苯撐乙烯及其衍生物具有優(yōu)異的發(fā)光性能和較高的電子遷移率，通過分子結構調控可以實現從藍光到紅光的全色發(fā)光。

應用：這類材料在OLEDs中展現出良好的應用前景，可以用于制備高效、高穩(wěn)定性的發(fā)光器件。

共軛微孔聚合物（CMPs）

性質：CMPs是一類具有微孔結構和高比表面積的有機高分子半導體材料，通過調控單體結構和合成條件可以實現對其孔隙結構和光電性質的精細調控。

應用：CMPs在氣體吸附與分離、催化以及能量轉換與存儲等領域具有廣泛應用。例如，基于CMPs的光催化劑在光催化CO2還原和水分解制氫方面展現出較高的活性。

有機-無機雜化材料

性質：有機-無機雜化材料結合了有機高分子和無機材料的優(yōu)點，具有可調諧的光電性質、良好的機械性能和熱穩(wěn)定性。

應用：這類材料在光電器件、傳感器以及能量轉換與存儲等領域具有廣闊的應用前景。例如，基于有機-無機雜化材料的鈣鈦礦太陽能電池具有極高的光電轉換效率。

未來發(fā)展展望

分子設計與合成：未來研究將更加注重有機高分子半導體材料的分子設計與合成，通過精確調控分子結構實現對其光電性質的優(yōu)化。例如，發(fā)展新型共軛單體和合成方法，制備具有特定光電性質的有機高分子半導體材料。

加工性能與器件制備：提高有機高分子半導體材料的加工性能和器件制備工藝將是未來研究的重要方向。例如，發(fā)展新型溶劑加工和印刷技術，實現大面積、低成本、高效率的有機電子器件制備。

多功能化與集成化：隨著電子器件向多功能化和集成化方向發(fā)展，有機高分子半導體材料將更加注重與其他功能材料的集成與融合。例如，發(fā)展基于有機高分子半導體材料的柔性傳感器陣列和智能電子皮膚等。

環(huán)境友好與可持續(xù)發(fā)展：未來研究將更加注重有機高分子半導體材料的環(huán)境友好性和可持續(xù)發(fā)展性。例如，開發(fā)可生物降解和可回收的有機高分子半導體材料，減少電子廢棄物對環(huán)境的污染。

總結

有機高分子半導體材料作為一類具有獨特優(yōu)勢的新型半導體材料，在電子器件、光電器件、傳感器以及能量轉換與存儲等領域展現出巨大的應用潛力。通過分子設計與合成、加工性能與器件制備、多功能化與集成化以及環(huán)境友好與可持續(xù)發(fā)展等方面的深入研究，有機高分子半導體材料將在未來電子產業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

參考文獻：

[1]Vacuum Lamination of Polymer Gate Dielectric Layers for Facile Fabrication of Organic Transistors

Min-Jae Kim, Jin-Hwan Hong, Myeong-Hyeon Kim, Young-Shin Kim, Jaehoon Lee, Hwa Sung Lee, and Boseok Kang;

ACS Applied Electronic Materials20224(7), 3640-3647;DOI: 10.1021/acsaelm.2c00591

[2]Electrically Controllable Spin States of Holes and Electrons in Organic Semiconductor Materials

Shohei Iguchi, Yuki Sakurai, Naohiro Fujita, Fumiya Osawa, and Kazuhiro Marumoto

ACS Applied Electronic Materials20191(12), 2522-2530;DOI: 10.1021/acsaelm.9b00551

[3]閆敬越,劉玉敏,黃華東,等.附生結晶調控有機高分子半導體材料聚集態(tài)結構與性能[J/OL].高分子學報,1-22[2024-11-09].http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.1857.O6.20240924.1442.002.html.

[4]黃進.含炔基芴的新型共軛半導體光電聚合物的合成及其應用[D].南京大學,2015.