三环癸烷二甲醇（TCDDM）在可穿戴半导体中的应用

2026-02-24 09:46:20102

论文研究

共轭中断间隔基结构设计

现代电子器件对柔性、便携性及与人体无缝集成的需求日益增长，推动着电子技术的革新。随着可穿戴传感器、生物电子界面和软机器人等技术的快速发展，硅等传统刚性电子材料已难以满足需求。共轭聚合物具有可调电子性能和本征柔软性，成为下一代柔性器件的关键支撑材料。尽管研究广泛，现有工作仍主要聚焦于优化P型迁移率，N型半导体的研究进展相对缓慢。

台湾成功大学 Ming-Han Chen 团队2025年发表在《RSC Appl.Interfaces》的论文《N-type Semiconducting Polymers with An Improved Isotropic Mobility–Stretchability Stability by Using Structural Isomers as Conjugation Break Spacers》重点研究了不同脂环族共轭中断间隔基（CBSs）对萘二酰亚胺（NDI）基 N 型半导体聚合物的性能影响，通过对共轭中断间隔基（CBSs）的结构进行设计有望使可拉伸半导体聚合物同时具备力学柔性和各向同性电子性能，为可穿戴和可变形电子器件提供支撑。

图1 共轭中断间隔基的萘二酰亚胺型材料

文中设计了三种脂环族CBSs如下图所示：

（1）TCD-CBS:单一结构三环癸烷二甲醇；

（2）rTCDs-CBS:三环癸烷二甲醇异构体混合物；

（3）tCH-CBS:反式-1,4-环己二甲醇；

图2 脂环族CBS结构

进而探究异构体对半导体材料聚集态、力学性能和电子性能的影响，实现力学柔性与各向同性电学性能的兼顾；解决迁移率各向异性和力学-电学性能平衡两大关键问题。

研究发现

与先前报道的 N 型聚合物相比，整合共轭中断间隔基（CBSs）的聚合物（特别是 rTCDs）表现出显著改善的迁移率保留率和降低的应变敏感性。

表1 不同结构迁移率-可拉伸性关系

a 0%应变下测得的迁移率；b 60%应变下评估的迁移率各向同性比；c,d 各施加应变下经最终拉伸-释放循环后的迁移率保留率（垂直和平行方向），按与对应单循环性能的比值计算；e 聚异丁烯-PNDI2T-聚异丁烯的嵌段共聚物；f 聚（萘二酰亚胺-（噻吩-亚乙烯基-噻吩-亚胺-噻吩））的无规共聚物；g 异山梨醇基共轭中断间隔基（CBS）；h 与非中心对称螺 [环烷烃-1,9'-芴] 间隔基无规共聚的聚（二酮吡咯并吡咯-联噻吩）；i 聚（环戊二噻吩-噻吩基乙烯基-1,1 -二氰基亚甲基-3-茚酮）；j ABA 型三嵌段共聚物，其中A段为聚二甲基硅氧烷，B段为聚（二酮吡咯并吡咯）交替共聚物。

聚合物P3 初始电子迁移率更高，且在60%应变下各项同性较好，但在反复循环后电荷传输性能显著劣化，在长期变形下结构弹性显著下降。

异山梨醇（ISB）初期电子迁移率低，在60%应变下各向同性优异，但在反复拉伸-释放循环下，ISB表现出各向异性的电子迁移率保留率。

TCD-CBS 单一确定结构，面取向堆叠，初始迁移率较高，应变作用下机械耐久性较差。

tCH-CBS 柔性单环结构，边取向堆叠，各向同性传输；形变过程中链的构象适应性较强，导致迁移率较低且结构稳定性欠佳。

rTCDs-CBS 为混合物，结构无序抑制了结晶度的显著变化并引入了自由体积，增强了延展性同时保持了足够的分子堆积；此外，双峰取向的出现促进了各向同性电荷传输，最大限度地减少了方向依赖性失效。在60%应变下保留高本征迁移率和各向同性，还在多次拉伸-释放循环后保持一致的性能。在40%应变下经1000次循环后，rTCDs 改性半导体在平行于应变方向上的电子迁移率的保留率为 77%，在垂直于应变方向上的电子迁移率的保留率高达104%，为可穿戴及可变性材料的研发提供了新方向。

参考文献：

[1] N-type Semiconducting Polymers with An Improved Isotropic Mobility–Stretchability Stability by Using Structural Isomers as Conjugation Break Spacers.RSC Appl. Interfaces, 2025,2:1784-1798.