Chain-Kinked Design: Improving Stretchability of Polymer Semiconductors through Nonlinear Conjugated Linkers

Ting-Wei Chang, Yu-Ching Weng, Yi-Ting Tsai, Yuanwen Jiang,

Naoji Matsuhisa, and Chien-Chung Shih

ACS Appl. Mater. Interfaces 2023, 15, 44, 51507–51517

國立雲林科技大學 化學工程與材料工程學系 石健忠助理教授

具延展性的共軛高分子是發展電子皮膚的關鍵材料，它可使電子元件更薄且在受到外力形變時仍保持穩定的性能，呈現出類似人體皮膚的特性，這個技術有助於開發次世代智能穿戴裝置與精準醫療監測。在這個研究裡，我們提出了新的分子設計策略以提升共軛高分子的延展性。透過在高分子主鏈上引入非線性鏈段 (nonlinear conjugated linker)，促使分子鏈扭曲(kinked-chain)，從而改變其原有的線性度和對稱性。這個改變使高分子的形態發生變化，我們透過擴散係數的量測發現，引入非線性鏈段後高分子的迴旋半徑(radius of gyration)降低，而廣角X光散射儀分析顯示高分子薄膜的自由體積(free volume)增加、結晶度降低，這些變化有助於提升高分子的拉伸性。我們使用1,3-dibromobenzene作為非線性鏈段，添加入不同電子施體-受體 (donor-acceptor)組合的共軛高分子，結果顯示，無論是何種高分子，只要有非線性鏈段的添加，高分子薄膜延展性皆能獲得有效的提升，更重要的是，這個添加不會降低電荷遷移率 (carrier mobility)。我們進一步採用這個方法制備可拉伸的電晶體，所製備出的電晶體具有 0.5 cm²/Vs以上的電洞遷移率，可形變率超過80%，且在超過1000次的拉伸疲勞測試下仍可維持90%的效能。