阿联酋哈利法大学Ammar Nayfeh等人综述：共轭聚合物在纳米电子学和光子学中的作用

研究背景

共轭聚合物(Conjugated Polymers，CP)对电子和光子器件领域产生了重大影响,其机械柔韧性和可调谐带隙，以及易于加工且成本低，为器件制造和应用开辟了新的途径，包括有机发光二极管、有机光伏、有机场效应晶体管和生物电子学，特别适用于柔性和可穿戴设备。然而，与传统半导体器件相比共轭聚合物的稳定性和效率通常较低，面临化学和热稳定性、功率转换效率、长期运行稳定性和环境弹性的限制。此外，实现一致的薄膜质量以及与现有的基于CMOS的技术集成也带来了加工挑战。近年来，人们正在探索先进的制造技术，如分子工程和纳米结构，以及将CP与纳米材料和无机半导体相结合的混合方法。随着CP领域的快速发展，将对电子和光子技术格局产生深远影响：从提高光伏器件和FET的效率到实现生物医学工程的突破，CP是未来技术进步的基础。

Evolving Role of Conjugated Polymers in Nanoelectronics and Photonics

Amaan Chougle, Ayman Rezk, Syed Usama Bin Afzal, Abdul Khayum Mohammed, Dinesh Shetty* & Ammar Nayfeh*

Nano-Micro Letters (2025)17: 230

https://doi.org/10.1007/s40820-025-01748-7

本文亮点

1. 本文概述了共轭聚合物的最新进展，并对其分子工程进行了深入讨论。提出了与传统无机半导体器件互补的关键电子特性。

2. 本文讨论了分子工程中的关键概念和创新，重点介绍了提高器件性能的进步，特别关注光伏、有机场效应晶体管和非易失性存储器件。

3. 本文探讨了制造基于共轭聚合物器件的当前挑战，以及预期的未来发展和不断增长的市场需求。

内容简介

共轭聚合物(Conjugated Polymers，CP)已成为现代电子学和光子学中一类有趣的材料，其特点是其独特的离域π电子系统，赋予其高柔韧性、可调的电子特性和溶液加工性。这些有机聚合物为传统无机半导体提供了一种引人注目的替代品，为新一代光电器件提供了潜力。阿联酋哈利法大学Dinesh Shetty、Ammar Nayfeh等人探讨了CP的不断发展作用，探索了增强其光电特性的分子设计策略和创新方法。通过分析基于CP的器件(包括有机光伏、场效应晶体管和非易失性存储器)的最新进展，突出了在开发更快、更高效和更环保的器件方面取得的显著进展。CP与柔性可持续技术的集成凸显了它们彻底改变未来电子和光子系统的潜力。随着正在进行的研究推动分子工程和设备架构的前沿发展，CP有望在塑造优先考虑性能、可持续性和适应性的下一代技术方面发挥重要作用。

图文导读

I 一维和二维共轭聚合物

图1a-b主要展示了共轭聚合物(CPs)的不同结构类型，包括一维(1D)和二维(2D)CPs。1D共轭聚合物由线性单体形成，具有各向异性的光学、导电和机械性能，链长相对较短，能形成一维方向的离域能态，展现半导体特性。2D共轭聚合物是平面状的层状材料，凭借平面内共轭和层间π-π堆积能力，具有独特的能带结构，有利于形成薄膜，在有机场效应晶体管、忆阻器等器件应用中表现出优势。

共价有机聚合物(Covalent Organic Polymers，COP)属于无定形或无序的共价聚合物，不存在内在孔隙，分子结构无明显有序性。共价有机框架(Covalent Organic Frameworks，COFs)具有结晶层和π-π堆积的材料，具备较高的内在孔隙率。其有序框架由共价连接的分子规则排列而成，层间存在较弱的分子间相互作用(π-π堆叠)，这些结构特征使其在光电子应用领域具有广泛的应用前景。

图1. a 由线性单体和具有侧链功能化的1D聚合物形成的1D聚合物；b 对称单体(C₃、C₂和C₄)形成 2D 聚合物；c COP的图形表示显示随机有序框架；d COF的图形表示显示具有内在孔隙的有序框架。

II 用于光伏领域的供体-受体交替共轭聚合物

图2. a N2200的化学结构。b-e 改性N2200聚合物的结构、PCE及器件J-V曲线；f-i 不对称N2200聚合物的结构、器件载流子寿命、BR效率及PCE；j-m 体异质结(BHJ)中2个受体的结构、BHJ中三种混合物的Flory-Huggins相互作用参数，以及各种BHJ混合比例的PCE比较。

图2围绕萘二酰亚胺(NDI)相关聚合物在光伏领域的应用展开，呈现了对 N2200进行结构修饰后的化学结构、器件架构、及性能对比。

Chen等人通过在N2200主链中引入TR并替换部分基团，合成PNDI-2FT-TR10和PNDI-2FT-TR20。这种结构调整减少了聚合物聚集，增强了吸收特性，其中PNDI-2FT-TR10效果最佳，其功率转换效率(PCE)更高，J-V特性更优(如图2b-e)。

Li等人合成了N2200的侧链变体，优化了侧链结构。较短的侧链增强了聚合物链的聚集和结晶度，促进了电荷传输，器件展现出更优的性能，同时抑制了双分子复合，延长了载流子寿命(如图2f-i)。

另外，N2200作为第二受体加入PBDB-T-2F:N3体系时，能改善共混物的性能，促进电荷解离和传输，但过量添加会增加电荷复合，降低PCE(如图2l-m)。这些研究为优化光伏器件中NDI基聚合物的性能提供了有效策略，推动了有机光伏材料的发展。

图3. a-b 光伏器件中聚合物的化学结构及PCE；c-e 器件结构的平面受体层的紧密堆积和载流子寿命的延长；f-i 供体和受体的吸收光谱、初级受体和供体的化学结构、混合膜的相位图像及器件结构。

图3a展示了一系列基于梯子型杂芳烃 BTI(bithiophene imide)的聚合物，如 PBTI1-T、PBTI2-T、PBTI3-T等。研究发现聚合物的共轭长度与功率转换效率(PCE)呈正相关，如PBTI3-T与PTB-7-Th供体混合时，展现出较高的 PCE，达8.98%，凸显了共轭长度在光伏应用中的重要性。图3c-e通过对比不同结构的聚合物，展示了平面受体层的紧密堆积和器件结构对载流子寿命的影响。紧密堆积的平面受体层有助于提高载流子寿命，进而提升器件性能。图3f-i则呈现了供体和受体的吸收光谱、化学结构、共混膜的相图以及器件架构。从吸收光谱可看出不同聚合物对光的吸收特性差异，这些差异会影响光伏器件对不同波长光的利用效率，为光伏聚合物的设计和优化提供了重要参考。

III 单一组分有机太阳能电池

图4. CBC和DCCP的化学结构图示。

图4主要介绍了单组分有机太阳能电池(SCOSCs)中两种重要的共轭聚合物结构，即共轭嵌段共聚物(CBCs)和双缆共轭聚合物(DCCPs)，通过图示直观展示了它们的化学结构特点与电荷传输方式。

图5. a-d CBC PBDB-T-b-PYT 的结构、聚合物的CBC和BHJ之间的PCE比较，以及用光浸泡说明器件光稳定性的归一化PCE与时间的关系；e-f 基于PBDB-T-b-PYT CBC的原始和优化SCOSC的J-V曲线和Voc对光强度的依赖性图；g DCCP DCPIC的化学结构；h-j沿面内和面外方向的GIWAXS剖面，以及作为退火温度函数的器件的PCE；k-l具有各种接头的基于DCCP的器件的空穴和电子迁移率及PCE。

图5基于单组分有机太阳能电池(SCOSCs)器件，主要呈现了共轭嵌段共聚物(CBCs)和双缆共轭聚合物(DCCPs)这两类材料在SCOSCs中的性能表现及优化策略。

对于CBCs方面，图5a-f展示了以PBDB-T-b-PYT为例的器件性能，其初始效率低于体异质结(BHJ)器件，经热退火和溶剂蒸汽退火优化后，PCE提升且稳定性保持良好。对于DCCPs，以DCPIC为例，研究其结晶度与性能关系，发现150°C退火时性能最佳，过高温度会降低性能。此外，DCCP中连接基团影响性能，适中长度连接基团可平衡电荷分离和结晶无序，实现较好的电荷迁移率和PCE。

IV OECTs & OFETs

图6. a BBL:PEI墨水的制备及喷涂沉积示意图；b BBL:PEIlin和BBL:PEIbra的电导率随PEI含量的变化；c 0.1M NaCl为电解质的BBL:PEIlin OECT的转移曲线；d PEDOT:PSS OECT的转移曲线；e p(N-T):PS/PMM共混物及薄膜制备示意图。f 不同混合比例p(N-T)的平均转移特性；g 不同混合比例p(N-T)的OECTs稳定性。

图6主要介绍了不同聚合物体系对晶体管性能的影响。图6a-c介绍了一种用于有机电化学晶体管(OECTs)的高导电n型聚合物墨水。该墨水由 BBL 和 PEI 混合而成，电导率高，热稳定性和环境稳定性良好。图6d展示了PEDOT:PSS的p型OECT在相似条件下的特性。图6e-g通过混合n型聚合物与绝缘聚合物来提升OECT性能的研究。p(N-T)与聚苯乙烯混合后电子迁移率从0.059 cm2 V⁻1 s⁻1提升至1.3 cm2 V⁻1 s⁻1，同时优化了阈值电压和混合离子/电子电导率。

图7. a CuPc-AQ-COFs的化学合成示意图及SEM图像；b 含有氧化还原连接体、非氧化还原连接体，以及具有Ni、Co金属中心的共价有机框架(COFs)的电导率和迁移率对比；c FET器件的转移曲线及FET器件示意图；d 顶栅和底栅FET的示意图及e-f 转移曲线；g 顶栅FET器件电子迁移率的直方图；h 载流子前沿位置与延迟(渡越)时间的函数关系。

图7围绕有机场效应晶体管(OFETs)的研究成果展开，图7a展示了铜酞菁-蒽醌共价有机框架(CuPc-AQ-COFs)的合成及形貌，该薄膜用于制备的OFET性能优异，有高的开/关电流比、低阈值电压和良好稳定性，还呈双极响应。图7d-h则呈现了噻唑取代的氟化异靛蓝共聚物在OFET中的情况，引入噻吩和硒吩取代基提升了电荷传输特性，在特定架构中电子迁移率达0.25 cm2 V⁻1 s⁻1，且利用EFISHG技术可视化了载流子迁移情况，为OFET材料性能研究提供参考。

图8. a 均聚物P1和P2以及共聚物P3的合成；b 在最佳条件下基于聚合物P1、P2和P3的最佳OTFT器件的转移特性曲线。

图8主要展示了用于有机薄膜晶体管(OTFTs)的聚合物研究成果。图8a展示了通过特定反应合成的三种聚合物P1、P2和P3，它们基于噻唑并[3,2-b]苯并噻吩(BTBT)衍生物，具有不同的共轭结构。图8b展现了在最佳条件下，基于这三种聚合物的OTFT器件转移特性。结果表明，这些聚合物热稳定性良好且光学带隙窄。P3因较强的π−π相互作用和堆积，在200°C退火后载流子迁移率最高。

图9. a 不同浸涂速度下从多层到单层的PffBT4 T-2DT超薄膜；b 具有边缘取向的PffBT4 T-2DT单层纳米纤维示意图；c PffBT4 T-2DT OFET的饱和迁移率和开/关比与层数的关系；d PffBT4 T-2DT PoM-FET的静态输入-输出特性。

图9a展示了不同层数的PffBT4 T-2DT 超薄薄膜。利用该聚合物制备的OFET展现出良好性能。图9c呈现其饱和迁移率和开/关比随层数变化，表明靠近电介质的第一层单层对电荷载流子传输起主要促进作用，且该器件的饱和迁移率较高，开/关比可达107。图9d展示其可集成到单极逻辑门等电路中，体现了PffBT4 T-2DT在有机晶体管领域的应用潜力。

图10. a PDPP-5 Th薄膜的高度图像；b OFET结构及c运输特性；d 使用温控聚集的聚合物溶液的有序微观结构；e 不同的聚合物薄膜的晶体管迁移率。

图10主要介绍了两种聚合物在有机场效应晶体管(OFET)中的应用。图 10a-c聚焦于PDPP-5Th聚合物，PDPP-5Th通过引入特定单元提升了溶解性和空穴传输性能，经不同温度退火优化后，在180°C时性能最佳，具有较高的载流子迁移率和良好的p型传输性能。图10d-e展示了F4BDOPV-2T OFET器件通过温度控制聚合物溶液聚集形成有序微观结构，进而提升晶体管迁移率的发法。

图11. a 流动增强结晶(FLEX)机制的示意图；b 各种纤维材料的关键机械性能比较；c半导体聚合物纤维的潜在可穿戴应用；d W/L = 15 μm/20 μm 的纤维 OECT 的代表性p型传输特性和相应的跨导曲线。

图11主要展示了流动增强结晶(FLEX)方法及其制备的半导体聚合物纤维的性能。FLEX机制，包括聚合物在注射器内的初始聚集状态，在溶液流动作用下的解聚、取向，以及在凝固浴中的溶剂扩散、拉伸等过程。利用该方法制备的纤维具有优异性能。与其他纤维对比，凸显其高拉伸强度和韧性优势。图11d呈现了基于该纤维的OECT的转移特性和跨导曲线，表明其具有高跨导和低阈值电压，同时显着改善机械特性，为可穿戴和植入式电子设备发展提供了新方向。

图12. a OFET器件在不同温度下的结构示意图；b OFET器件示意图；C器件不同退火条件下的传输曲线；d 三明治型器件中的OP-XRD图样变化；e 器件示意图；f FuI:TBAI和g SeI:TBAI薄膜的OFETs的迁移率值和μₑ/μₕ比率的趋势；h FuI和I SeI聚合物的载流子注入势垒示意图。

图12呈现了共轭聚合物在有机场效应晶体管(OFET)中的两项关键进展。一方面，Liu等人通过侧链工程，利用基于二酮吡咯并吡咯(DPP)和二噻吩并咪唑(BTI)的聚合物，实现了双极型OFET中载流子极性的调控，且引入四丁基碘化铵(TBAI)可进一步优化电荷传输。另一方面，Sambe等人利用2D烷基酰胺取代的苯并噻吩并[3,2-b] 苯并噻吩(BTBT)衍生物的铁电特性，实现了载流子传输的控制切换，热退火可增强其p型半导体沟道的空穴迁移率，该成果适用于记忆、传感等先进电子领域。

V 二维共轭聚合物(2D CPs)

图13. a TbDb综合方案；b 电阻开关中涉及的电化学过程；c 夹层TpDb的横截面TEM图像；d CTM编程/擦除作期间MOS电容器的能带图；e cAFM进行表面映射和电探测的电路；f 芘-异靛蓝 2D-CMP 的合成方法；g 2D共轭BDTT电子供体和BDTT-BQTPA单元的分子结构；h PBDTT-BQTPA聚合物链中π-π堆叠示意图。

图13主要展示了共轭聚合物在非易失性存储器(NVM)中的应用成果。Pal等人研究的碳基修饰二维聚合物(TpDb)用于ReRAM，经绿色合成，有独特的电荷定位机制，能实现高效双极电阻开关，可用于神经形态计算，具备低电压、高耐久性等优势。Al-Ajeil等将TpDb用作MIS电容式存储器件的电荷捕获层，展现出大记忆窗口、低操作电压、高耐久性和稳定性。Rezk等利用二维共轭微孔聚合物(2D-CMP)纳米颗粒制成纳米级电荷捕获器件，有宽记忆窗口、长保留时间和高耐久性。Zhang 等人在ReRAM中引入二维共轭聚合物，提升了薄膜质量，使器件具备高产量、高耐久性和低操作电压的特性。

图14. a 合成基于蓝色聚合物PAV；b Al/PAV/ITO 器件示意图；c ITO上PAV薄膜的AFM图像；d UFTM制造步骤及e插入层的能级图；f 基于喹喔啉的夹心结构及g SEM横截面示意图。

图14主要呈现了共轭聚合物在非易失性存储器中的应用进展。基于薁的共轭聚合物(PAV)，其能形成稳定阳离子自由基实现可逆电荷捕获，Al/PAV/ITO器件开关电压稳定，有高耐久性和长保留时间。Sharma等人用单向浮动薄膜转移法(UFTM)制备PTB-7等聚合物薄膜，优化了垂直电荷传输，PTB-7器件ON/OFF 比高、有双稳态电阻开关行为，性能和耐久性良好。UFTM工艺可保持薄膜的完整性和对齐性，从而增强器件的耐用性和性能，而无需复杂的材料合成。He等人开发的基于喹喔啉的共轭聚合物用于三元存储器件，通过分子内电荷转移实现多级存储，器件数据存储密度高、操作电压低，稳定性和重现性佳。

图15. a PFCz-g-BPQD与Al/活性材料/ITO存储设备结构HRTEM图像；b 一批50个器件中基于 M-DABDT的存储器件的三元器件产量和c平均阈值电压(Vth₁和Vth₂)；d PDFD-Mxene的合成过程；e MoS₂ QD的制备。

图15展示了三种将金属配位和复合结构融入共轭聚合物(CPs)，以提升非易失性存储器(NVM)性能的研究成果。Cao等人将黑磷量子点(BPQDs)与CP(PFCz)共价功能化，提升了环境稳定性，降低其在氧和湿气中的降解，制备的RRAM 器件在低电压下的ON/OFF 电流比超10⁷，适用于低功耗应用。Cheng等人合成了含不同金属离子的一维π-d共轭配位聚合物(1D CCPs)用于ReRAM，结构的平面性和结晶度优化了电荷传输，降低了阈值电压，提升了器件性能。Sun等人将PDFD与MXene复合，提高了稳定性和溶解性，器件的ON/OFF比超10⁴，在湿度环境下性能稳定。

VI 总结

共轭聚合物在分子设计、合成方法和器件集成方面的不断进步推动了现代电子学和光子学的发展。分子工程的突破增强了电荷载流子迁移率并改善了环境稳定性的，这使得开发具有低电压作和神经形态计算潜力的高性能设备成为可能，模拟人工神经网络所必需的突触功能。这些进步为柔性显示器、可穿戴电子产品、生物电子学、高密度数据存储，甚至医疗应用(如光疗和靶向药物递送系统)铺平了道路。

尽管取得了这些重大的科学进步，但实现广泛的商业化需要解决关键的经济和技术障碍。可扩展性和成本仍然是最重要的问题。长期环境稳定性也至关重要，尤其是对于面临耐候性问题以及因潮湿、氧气和紫外线照射而降解的OPV。此外，要实现CP的广泛潜力，需要制定统一的制造标准，以确保不同生产线上的器件可重复性和可靠性。此外，CP想要成为具有成本竞争力的产品，这需要科学独创性、工业合作和战略市场定位的共同努力，以开拓和扩大其独特特性提供无与伦比的价值的利基市场，并推动下一波技术进步。

作者简介

Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2023 JCR IF=31.6，学科排名Q1区前3%，中国科学院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

Web: https://springer.com/40820

E-mail: editor@nmlett.org

Tel: 021-34207624

如果文章对您有帮助，可以与别人分享！：Nano-Micro Letters » 阿联酋哈利法大学Ammar Nayfeh等人综述：共轭聚合物在纳米电子学和光子学中的作用