北大Nat. Commun.：实现高性能n型有机电化学晶体管转换！

一、【导读】

有机电化学晶体管（OECTs）在神经接口器件、生物化学传感器和神经形态计算等领域有着广泛的应用，引起了人们的广泛关注。各种p型聚合物已被开发用于高性能OECTs，其性能指标μC*超过了200 F cm^-1 V^-1 s^-1。p型聚合物响应速度快，τ_on/τ_off小于1/0.1 ms，有利于实时高速传感应用。为了构建互补的逻辑电路，实现高灵敏度和多器件功能，需要具有相当性能的n型OECTs。遗憾的是，与p型OECTs材料相比，n型OECTs材料在数量和器件性能上都远远落后，μC*通常小于1 F cm^-1 V^-1 s^-1，τ_on/τ_off也超过了10 ms。

二、【成果掠影】

近日，北京大学雷霆研究员团队研究表明，设计掺杂态对n型OECT聚合物更为关键。通过平衡供体部分的更多电荷，研究人员可以有效地将p型聚合物转换为高性能n型材料。基于这一原理，聚合物P(gTDPP2FT)表现出创纪录的高n型OECT性能，μC*为54.8  F cm^-1 V^-1 s^-1，迁移率为0.35 cm² V^-1 s^-1，响应速度τ_on/τ_off为1.75/0.15 ms。计算和比较研究表明，这种转化主要是由于电荷更均匀、负极化子稳定、构象增强以及负电荷状态下的主链平面性。该研究工作强调了聚合物“掺杂态工程”理解和关键作用。该论文以题为“Switching p-type to high-performance n-type organic electrochemical transistors via doped state engineering”发表在知名期刊Nature Communications上。

三、【核心创新点】

通过聚合物“掺杂态工程”，成功地将p型聚合物转换为高性能n型材料，得到的聚合物P(gTDPP2FT)表现出创纪录的高n型OECT性能，μC*为54.8  F cm^-1 V^-1 s^-1，迁移率为0.35 cm² V^-1 s^-1，响应速度τ_on/τ_off为1.75/0.15 ms。

四、【数据概览】

图一、聚合物P(gTDPPT) and P(gTDPP2FT)的合成路线图 © 2022 Springer Nature

图二、两种聚合物的光电性能 © 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分钟）的归一化紫外-可见光-近红外吸收光谱。

（c）中性和负电荷状态下P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)单体二面角的PES扫描对比。

（d）优化了单体的主链结构、键长和二面角。

（e-f）P(gTDPPT)和P(TDPP2FT)在0.1 M NaCl水溶液中在ITO玻璃上的电化学吸收光谱

图三、P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)的OECT器件表征 © 2022 Springer Nature

（a-d）P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)的传输性能（a,b）以及输出性能（c,d）。

（e-f）P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)的瞬态开/关曲线。

（g）基于P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)互补逆变器的电压传输特性和增益。

（h-i）P(gTDPP2FT)的μC*和μ、τ_on和μ值与其他n型OECT材料的对比。

图四、分子堆积和形态表征 © 2022 Springer Nature

（a-b）P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)的二维GIWAXS图案。

（c-d）P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)的GIWAXS图案的相应线切割。

（e-f）P(gTDPPT)和P(gTDPP2FT)的AFM高度图像。

图五、掺杂态工程 © 2022 Springer Nature

（a）通过P(gTDPP2FT)的CV和μC*测量的LUMO能级与几个报道的n型OECT材料的LUMO能级的比较。

（b）参考聚合物P(gPyDPPT)的化学结构式。

（c）比较由CV测量的HOMO/LUMO能级以及中性态和负电荷态之间的能量差。

（d-f）三种聚合物正负电荷三聚体的电荷分布比较。

（g-i）T/D碎片和二面体数之间的二面角分布。

五、【成果启示】

综上所述，研究人员提出了一种“掺杂态工程”策略来设计n型OECT聚合物，并有效地将典型的p型OECT聚合物转换为高性能的n型OECT聚合物。研究表明，除了较低的LUMO能级外，电荷传输类型的开关机制主要是由于n掺杂后负电荷分布更加均匀、骨架平面度增强、构象稳定性更好以及负极化子更加稳定。这些特征使聚合物P(gTDPP2FT) 表现出纯n型电荷传输行为，具有最高的电子迁移率为0.35 cm² V^-1 s^-1，最高的μC*值为54.8 F cm^-1 V^-1 s^-1，响应速度为τ_on/τ_off = 1.75/0.15 ms。本研究揭示了带电态和中性态之间电子性质的显著差异，并强调了未来高性能OECT材料设计的“掺杂态工程”策略。

文献链接：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)