北大团队制备高质量单晶薄膜，迁移率创纪录突破15.5cm²/V·s，为高性能有机电子器件发展注入新活力
近日，北京大学研究员贺明和团队提出一种通用型纳米限域极化诱导（nano-CMDO）策略，并成功制备了一系列典型共轭聚合物的高质量单晶薄膜。
在电学性能方面，所制备的共轭聚合物单晶薄膜表现出极低的能量无序性，最小的 Urbach 能量低至 25meV，甚至低于室温下的热涨落能量（kBT=26meV），所有共轭聚合物单晶薄膜表现出接近理想状态的空间电荷限制电流输运行为。其中，DPPT-TT 单晶薄膜晶体管迁移率达到 15.5cm2 V-1s-1，是目前文献报道的最高值，展现了其在高性能有机电子器件中的巨大潜力。
图 | 贺明（来源：贺明）
这种针对有机共轭聚合物单晶薄膜的通用制备方法，为发展高性能有机电子器件的提供了新的技术路线，其潜在应用场景涵盖柔性电子、神经形态电子、生物电子等多个领域。
具体而言：
有机薄膜晶体管是柔性电子器件的核心组件，因此可用于柔性显示、电子纸和智能标签等领域；
单晶薄膜的高度有序性和高载流子迁移率能够显著提升有机薄膜晶体管的开关速度和能效，满足高性能柔性电子器件的需求；
共轭聚合物单晶薄膜的类神经电学特性，使其能够模拟生物神经元的信号传递和处理功能，为神经形态计算提供硬件支持，可用于模拟生物神经系统的人工突触、类脑计算芯片和神经形态传感器；
共轭聚合物的生物相容性和单晶薄膜的高性能使其能够与生物组织良好兼容，同时提供高灵敏度的信号检测和传输，进而用于植入式医疗和生物传感器。
（来源：Nature Communications）
助力理解材料的结构-性能关系
据了解，有机共轭聚合物凭借其分子多样性、电学多功能性和机械柔韧性的独特结合，在可穿戴电子、生物相容性电子和神经形态电子等前沿领域展现出巨大的应用潜力。
例如：在可穿戴电子领域，共轭聚合物可以制成适应人体运动的柔性传感器或能量收集器；在神经形态电子领域，其电学特性为模拟神经网络计算提供了可能，加之其与生物有机分子的兼容性，可以扩展到仿生电子器件应用。
共轭聚合物的电学性能本质上取决于其电子波函数在聚合物链上的长程离域分布，因此共轭聚合物单晶结构因其完美的共面构象、最低的能量无序性和增强的载流子迁移率，被认为是优化其电学性能的最有效选择之一，同时也是探索材料本征结构与性能关系的理想平台。
但是，共轭聚合物单晶薄膜的制备一直面临巨大挑战，主要因为共轭聚合物长链有序排列需要克服极大的熵惩，同时涉及复杂的动力学过程。尽管外力诱导有助于提升长链有序排列，但是难以有效调控单链构象，因此如何平衡单链构象和长链大面积有序排列的热力学和动力学限制，制备高质量有机聚合物半导体单晶薄膜，仍然是一个极具挑战性的科学难题。
基于此，研究团队从共轭聚合物的凝聚态结构出发，探索通过调控共轭聚合物链内的分子偶极来诱导促进其单晶薄膜的生长。
贺明告诉 DeepTech：“从热力学角度来看，分子偶极子可以影响共轭聚合物 π-π 堆积的能量分布，降低无序态向单晶态转变的能量壁垒；从动力学角度来看，分子偶极子有望通过促进高度有序的链排列来加速成核，从而促进更均匀快速的单晶生长。”
因此，本次研究旨在通过分子水平的结晶动力学调控，实现高质量共轭聚合物单晶薄膜的可控制备，重点解决以下几个方面的难题：一是揭示共轭聚合物链分子偶极对 π-π 堆积的影响机制；二是提出新的共轭聚合物单晶成核和晶体生长调控方法，实现共轭聚合物单晶薄膜的有效制备；三是系统地研究共轭聚合物单晶薄膜的凝聚态结构和电学特性关系。
通过解决这些关键问题，不仅将能为理解材料的结构-性能关系提供新的理论依据和实验方法，还有望推动共轭聚合物在高性能有机电子器件中的应用。
（来源：Nature Communications）
从“自上而下”转向“自下而上”的研究
据介绍，贺明的博士学习始于共轭聚合物凝聚态结构和电子学的研究，整个博士阶段从共轭聚合物的化学合成，到凝聚态结构的解析，再到电子器件的制备与性能优化，他的研究内容横跨化学、材料、器件等多个领域，这培养了贺明从多学科交叉的角度思考研究方向，同时从底层原理的角度解决关键科学问题的习惯。
后来，他和团队在电场法测量 P3HT 粘度的实验中，偶然发现了单晶区域的形成，他们潜意识里感觉这是一种可能的共轭聚合物单晶薄膜生长方法，因此开始针对性地研究。但是，尽管研究团队反复尝试，却始终无法理解这些单晶区域形成的物理机制，更无从调控其生长成单晶薄膜。最终，这项研究不得不被搁置。
尽管如此，贺明深知这是共轭聚合物凝聚态结构研究中最基础和最核心的内容之一，它不仅关乎研究团队对材料本征电学性能的理解，更关乎未来有机电子器件的性能突破。出于对获得有机半导体单晶薄膜的执念，更是出于对于基础研究必要性的执念，2020 年，贺明决定重启这项研究。
这一次，研究团队彻底改变了研究思路——从“自上而下”转向“自下而上”的研究：他们不再急于追求单晶薄膜制备条件的优化调整，而是从解析共轭聚合物的结晶动力学出发，逐层剖析理解电场下单晶区域形成的可能物理驱动机制，进而探索控制和优化单晶生长的条件。
首先，研究团队以 P3HT 为例，利用第一性原理计算，模拟了在基底自组装诱导和取向电场极化诱导的双重限域条件下，P3HT 分子链如何克服扭转势能，形成平面链结构的动力学过程。
在此基础上，研究团队提出了纳米限域极化诱导（nano-CMDO）的策略。这个策略从基底诱导和电场极化诱导两个方面同时出发，实现了对共轭聚合物分子构象和分子链构型的协同诱导自组装，从而成功制备出高质量的 P3HT 单晶薄膜。
当 P3HT 单晶薄膜成功制备后，研究团队开始思考：这种策略是否具有普适性？于是，他们又将目光投向了结构更为复杂的几类共轭聚合物单晶薄膜的制备。
这又是一段充满挑战的旅程。为了摸索各类共轭聚合物单晶薄膜生长的调控条件，研究团队进行了大量的透射电子显微镜和选区电子衍射表征；为了全面评估单晶薄膜的质量，开展了掠入射衍射、荧光光谱和原子力显微镜等多种测试；为了研究单晶薄膜的半导体性能，优化了有机半导体薄膜场效应晶体管的工艺。
最终，研究团队成功制备出并噻吩均聚物 PBTTT、p-型电子供体-受体共聚物 DPPT-TT 以及 n-型电子供体-受体共聚物 N2200 的单晶薄膜，实际验证了 nano-CMDO 策略的普适性。
（来源：Nature Communications）
日前，相关论文以《将共轭聚合物以分子偶极取向的方式普遍生长为半导体单晶薄膜》（Molecular-dipole oriented universal growth of conjugated polymers into semiconducting single-crystal thin films）为题发在 Nature Communications[1]。
北京大学博士生赵春燕、赖锡林以及中国科学院化学研究所博士生刘大尉是共同第一作者，北京大学贺明研究员和中国科学院化学所江浪研究员担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature Communications）
目前，研究团队与复旦大学、中国科学院化学所以及比利时哈瑟尔特大学等研究团队，围绕 nano-CMDO 策略的应用体系扩展、凝聚态结构研究以及电子器件应用等方向开展合作研究。
参考资料：
1.Zhao, C., Lai, X., Liu, D. et al. Molecular-dipole oriented universal growth of conjugated polymers into semiconducting single-crystal thin films. Nat Commun 16, 1509 (2025). https://doi.org/10.1038/s41467-025-56757-2
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