近日，北京大學研究員賀明和團隊提出一種通用型納米限域極化誘導（nano-CMDO）策略，并成功制備了一系列典型共軛聚合物的高質量單晶薄膜。

在電學性能方面，所制備的共軛聚合物單晶薄膜表現出極低的能量無序性，最小的 Urbach 能量低至 25meV，甚至低于室溫下的熱漲落能量（kBT=26meV），所有共軛聚合物單晶薄膜表現出接近理想狀態的空間電荷限制電流輸運行為。其中，DPPT-TT 單晶薄膜晶體管遷移率達到 15.5cm2 V-1s-1，是目前文獻報道的最高值，展現了其在高性能有機電子器件中的巨大潛力。

圖 | 賀明（來源：賀明）

這種針對有機共軛聚合物單晶薄膜的通用制備方法，為發展高性能有機電子器件的提供了新的技術路線，其潛在應用場景涵蓋柔性電子、神經形態電子、生物電子等多個領域。

具體而言：

有機薄膜晶體管是柔性電子器件的核心組件，因此可用于柔性顯示、電子紙和智能標簽等領域；

單晶薄膜的高度有序性和高載流子遷移率能夠顯著提升有機薄膜晶體管的開關速度和能效，滿足高性能柔性電子器件的需求；

共軛聚合物單晶薄膜的類神經電學特性，使其能夠模擬生物神經元的信號傳遞和處理功能，為神經形態計算提供硬件支持，可用于模擬生物神經系統的人工突觸、類腦計算芯片和神經形態傳感器；

共軛聚合物的生物相容性和單晶薄膜的高性能使其能夠與生物組織良好兼容，同時提供高靈敏度的信號檢測和傳輸，進而用于植入式醫療和生物傳感器。

（來源：Nature Communications）

助力理解材料的結構-性能關系

據了解，有機共軛聚合物憑借其分子多樣性、電學多功能性和機械柔韌性的獨特結合，在可穿戴電子、生物相容性電子和神經形態電子等前沿領域展現出巨大的應用潛力。

例如：在可穿戴電子領域，共軛聚合物可以制成適應人體運動的柔性傳感器或能量收集器；在神經形態電子領域，其電學特性為模擬神經網絡計算提供了可能，加之其與生物有機分子的兼容性，可以擴展到仿生電子器件應用。

共軛聚合物的電學性能本質上取決于其電子波函數在聚合物鏈上的長程離域分布，因此共軛聚合物單晶結構因其完美的共面構象、最低的能量無序性和增強的載流子遷移率，被認為是優化其電學性能的最有效選擇之一，同時也是探索材料本征結構與性能關系的理想平臺。

但是，共軛聚合物單晶薄膜的制備一直面臨巨大挑戰，主要因為共軛聚合物長鏈有序排列需要克服極大的熵懲，同時涉及復雜的動力學過程。盡管外力誘導有助于提升長鏈有序排列，但是難以有效調控單鏈構象，因此如何平衡單鏈構象和長鏈大面積有序排列的熱力學和動力學限制，制備高質量有機聚合物半導體單晶薄膜，仍然是一個極具挑戰性的科學難題。

基于此，研究團隊從共軛聚合物的凝聚態結構出發，探索通過調控共軛聚合物鏈內的分子偶極來誘導促進其單晶薄膜的生長。

賀明告訴 DeepTech：“從熱力學角度來看，分子偶極子可以影響共軛聚合物 π-π 堆積的能量分布，降低無序態向單晶態轉變的能量壁壘；從動力學角度來看，分子偶極子有望通過促進高度有序的鏈排列來加速成核，從而促進更均勻快速的單晶生長。”

因此，本次研究旨在通過分子水平的結晶動力學調控，實現高質量共軛聚合物單晶薄膜的可控制備，重點解決以下幾個方面的難題：一是揭示共軛聚合物鏈分子偶極對 π-π 堆積的影響機制；二是提出新的共軛聚合物單晶成核和晶體生長調控方法，實現共軛聚合物單晶薄膜的有效制備；三是系統地研究共軛聚合物單晶薄膜的凝聚態結構和電學特性關系。

通過解決這些關鍵問題，不僅將能為理解材料的結構-性能關系提供新的理論依據和實驗方法，還有望推動共軛聚合物在高性能有機電子器件中的應用。

（來源：Nature Communications）

從“自上而下”轉向“自下而上”的研究

據介紹，賀明的博士學習始于共軛聚合物凝聚態結構和電子學的研究，整個博士階段從共軛聚合物的化學合成，到凝聚態結構的解析，再到電子器件的制備與性能優化，他的研究內容橫跨化學、材料、器件等多個領域，這培養了賀明從多學科交叉的角度思考研究方向，同時從底層原理的角度解決關鍵科學問題的習慣。

后來，他和團隊在電場法測量 P3HT 粘度的實驗中，偶然發現了單晶區域的形成，他們潛意識里感覺這是一種可能的共軛聚合物單晶薄膜生長方法，因此開始針對性地研究。但是，盡管研究團隊反復嘗試，卻始終無法理解這些單晶區域形成的物理機制，更無從調控其生長成單晶薄膜。最終，這項研究不得不被擱置。

盡管如此，賀明深知這是共軛聚合物凝聚態結構研究中最基礎和最核心的內容之一，它不僅關乎研究團隊對材料本征電學性能的理解，更關乎未來有機電子器件的性能突破。出于對獲得有機半導體單晶薄膜的執念，更是出于對于基礎研究必要性的執念，2020 年，賀明決定重啟這項研究。

這一次，研究團隊徹底改變了研究思路——從“自上而下”轉向“自下而上”的研究：他們不再急于追求單晶薄膜制備條件的優化調整，而是從解析共軛聚合物的結晶動力學出發，逐層剖析理解電場下單晶區域形成的可能物理驅動機制，進而探索控制和優化單晶生長的條件。

首先，研究團隊以 P3HT 為例，利用第一性原理計算，模擬了在基底自組裝誘導和取向電場極化誘導的雙重限域條件下，P3HT 分子鏈如何克服扭轉勢能，形成平面鏈結構的動力學過程。

在此基礎上，研究團隊提出了納米限域極化誘導（nano-CMDO）的策略。這個策略從基底誘導和電場極化誘導兩個方面同時出發，實現了對共軛聚合物分子構象和分子鏈構型的協同誘導自組裝，從而成功制備出高質量的 P3HT 單晶薄膜。

當 P3HT 單晶薄膜成功制備后，研究團隊開始思考：這種策略是否具有普適性？于是，他們又將目光投向了結構更為復雜的幾類共軛聚合物單晶薄膜的制備。

這又是一段充滿挑戰的旅程。為了摸索各類共軛聚合物單晶薄膜生長的調控條件，研究團隊進行了大量的透射電子顯微鏡和選區電子衍射表征；為了全面評估單晶薄膜的質量，開展了掠入射衍射、熒光光譜和原子力顯微鏡等多種測試；為了研究單晶薄膜的半導體性能，優化了有機半導體薄膜場效應晶體管的工藝。

最終，研究團隊成功制備出并噻吩均聚物 PBTTT、p-型電子供體-受體共聚物 DPPT-TT 以及 n-型電子供體-受體共聚物 N2200 的單晶薄膜，實際驗證了 nano-CMDO 策略的普適性。

（來源：Nature Communications）

日前，相關論文以《將共軛聚合物以分子偶極取向的方式普遍生長為半導體單晶薄膜》（Molecular-dipole oriented universal growth of conjugated polymers into semiconducting single-crystal thin films）為題發在Nature Communications[1]。

北京大學博士生趙春燕、賴錫林以及中國科學院化學研究所博士生劉大尉是共同第一作者，北京大學賀明研究員和中國科學院化學所江浪研究員擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Nature Communications）

目前，研究團隊與復旦大學、中國科學院化學所以及比利時哈瑟爾特大學等研究團隊，圍繞 nano-CMDO 策略的應用體系擴展、凝聚態結構研究以及電子器件應用等方向開展合作研究。

參考資料：

1.Zhao, C., Lai, X., Liu, D. et al. Molecular-dipole oriented universal growth of conjugated polymers into semiconducting single-crystal thin films.Nat Commun16, 1509 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56757-2

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