本征可拉伸有机半导体研究进展及其在光电器件中的应用

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导读

随着物联网、智能医疗与柔性电子技术的飞速发展，可穿戴电子设备对材料的机械性能与光电性能提出了双重严苛要求 —— 既需在弯曲、拉伸、扭曲等动态形变下保持稳定工作，又需具备高效的光电转换能力。有机半导体凭借分子结构可设计性强、质轻价廉、加工灵活等独特优势，成为可拉伸光电器件领域的核心研究对象。然而，传统有机半导体普遍存在机械脆性高、断裂伸长率低（通常

近日，吉林大学银达和刘宇等在权威期刊 《发光学报》 上发表题为 “ 本征可拉伸有机半导体研究进展及其在光电器件中的应用 ” 的 特邀综述论文

，系统梳理了过去十余年本征可拉伸有机半导体的研究脉络。文章首先阐释了本征可拉伸有机半导体的核心科学问题与设计原则，深入分析了分子结构设计（主链 / 侧链工程）、多组分策略（共混、交联、增塑）、纳米限域效应及分子量调控等关键性能优化路径；随后详细介绍了该类材料在有机场效应晶体管（OFET）、有机太阳能电池（OPV）、有机发光二极管（OLED）及有机光电探测器（OPD）中的应用进展；最后，从材料机制、器件集成与产业化三个维度，展望了本征可拉伸有机半导体未来的发展方向与挑战，为下一代可穿戴光电器件的设计与开发提供了全面的理论指导和技术参考。

引言

可穿戴电子设备正从概念走向现实，柔性显示器、健康监测传感器、可折叠智能终端等新兴应用，要求器件在复杂形变下仍能稳定，实现光电信号的产生、传输与转换。这一需求推动了可拉伸电子材料的研究热潮，其中有机半导体因兼具光电活性与分子可调控性，成为构建可拉伸光电器件的理想候选材料。

“本征可拉伸” 指材料像弹性橡胶一样无需依赖外部支撑结构（如褶皱、岛桥结构）而可以直接拉伸，这种拉伸性能源于分子链柔性、链间相互作用及聚集态结构的内在协同。传统有机半导体（如聚噻吩、聚芴）虽具有较高的电荷迁移率，但刚性共轭主链导致其断裂伸长率极低，无法适应动态形变场景。如何在保持高电荷迁移率（>1 cm ² ·V ^-1 ·s ^-1 ）的同时，实现材料本征可拉伸性（断裂应变 > 10%），成为柔性电子领域亟待突破的核心瓶颈。

早期研究多通过分子结构设计提升材料延展性，但常以牺牲电学性能为代价。2003 年，美国加州大学伯克利分校 Javey 团队首次在 DPP 基共轭聚合物中引入柔性侧链，将断裂应变提升至 40%，开启了本征可拉伸有机半导体的研究序幕。此后，主链共轭断裂间隔、动态氢键网络、侧链功能化等策略相继提出，尤其是美国斯坦福大学鲍哲南团队通过动态氢键设计，使半导体聚合物在 100% 应变下保持 1.2 cm ² ·V ^-1 ·s的迁移率，标志着该领域进入实用化探索阶段。

当前研究虽取得显著进展，但仍面临三大挑战：一是高结晶度有利于电荷传输却限制分子链运动，导致 “拉伸性—迁移率” 矛盾难以调和；二是材料在循环拉伸下的长期稳定性缺乏系统验证，分子设计准则尚未普适；三是现有研究多聚焦单一环境下的性能测试，缺乏对复杂场景（如湿度、生物体液）的适配性评估。针对这些问题，本综述系统总结了通过分子结构设计与多组分策略提升本征可拉伸有机半导体性能的研究成果，深入剖析材料设计与器件性能的内在关联，为解决 “拉伸—光电” 协同难题提供新思路。

本征可拉伸有机半导体的性能优化策略

本征可拉伸有机半导体的性能优化核心是通过调控分子结构与聚集态行为，平衡电荷传输路径完整性与分子链柔性。目前，主流策略可分为分子结构设计、纳米限域效应、分子量调控及 “掺杂”策略四大类，各类策略通过不同机制实现 “拉伸性—光电性能”的协同提升：

第一，主链工程通过调整聚合物主链的化学结构与构象，在降低主链刚性的同时维持 π-π 共轭骨架连续性，是平衡机械性能与电学性能的关键手段。其核心思路是引入柔性单元或动态相互作用，促进非晶区域形成，减少大尺寸结晶域对拉伸性的限制。侧链工程通过调控烷基侧链的长度、功能化基团及空间构型，影响聚合物的聚集态结构与链间相互作用，进而优化拉伸性能与电学性能。

第二，纳米限域效应通过将共轭聚合物嵌入弹性体基质，形成纳米尺度原纤维结构，利用尺寸效应与界面效应调控聚合物的聚集态与链动力学，实现拉伸性与电学性能的协同。纳米限域效应的核心机制在于：一方面，弹性体基质限制共轭聚合物形成大尺寸结晶，促进无定形区域产生，提升链段运动能力；另一方面，纳米原纤维的高比表面积增强了界面相互作用，抑制相分离，同时一维结构为电荷传输提供定向通道。

第三，聚合物分子量通过影响链缠结程度与聚集态结构，对拉伸性能与电学性能产生显著调控作用。当分子量高于 “临界缠结分子量（Mc）” 时，链间缠结形成无序区域，提升断裂应变与韧性；同时，电荷迁移率在 Mc 附近达到峰值，此时薄膜兼具适中结晶度与良好的域间连续性。

第四，“掺杂”是指通过引入弹性体、交联剂、增塑剂等物质，调控材料的物理化学性质，提升拉伸性能。与无机半导体的离子掺杂不同，该策略不改变共轭主链的电子结构，而是通过界面作用与结构调控实现性能优化。

图1：（a）主链工程连续氢键工程策略示意图；（b）主链工程三元共聚物机制示意图；（c）主链工程分子尺度几何设计示意图；（d）侧链工程不同双轴延伸共轭侧链聚合物的结构—拉伸性关系示意图；（e）分子量效应微观结构示意图

本征可拉伸有机半导体在光电器件中的应用

本征可拉伸有机半导体常用于制备各种本征可拉伸有机光电器件，其中具有代表性的器件类型为有机晶体管（OFET）、有机太阳能电池（OPV）、有机电致发光器件（OLED）和有机光电探测器（OPD）等，将这些可拉伸电子器件集成在一起，可以实现光、生物、化学和热信号传感，可穿戴显示和照明，集成化驱动电路，和基于太阳能的自供电设备等，为可穿戴电子设备的功能集成提供核心元器件支撑。

表1：利用分子结构设计策略的可拉伸薄膜和器件的性能特点

表2：利用“掺杂”策略的可拉伸薄膜和器件的性能特点

总结与展望

本征可拉伸有机半导体通过分子结构设计与多组分策略，成功突破了 “高拉伸性—高光电性能” 的固有矛盾，在 OFET、OPV、OLED、OPD 等器件中展现出优异的应用潜力。当前研究已明确：主链柔性单元引入、动态非共价相互作用、纳米限域效应等是提升拉伸性能的核心机制；而短程 π-π 聚集、链间缠结、界面应力调控则是维持电学性能的关键。然而，当前研究仍面临两大挑战：其一，材料的长期循环稳定性不足。多数材料在超过500次拉伸循环后性能显著下降，分子链的动态重构机制尚未完全明晰；其二，同时获得高迁移率与高拉伸性之间能存在矛盾。高结晶度虽有利于电荷传输但限制分子链运动，导致材料在极端应变下易产生裂纹。此外，现有研究多聚焦于单一环境下的性能测试，缺乏对复杂环境（如湿度、温度波动、生物体液）适配性的系统评估。这些挑战需要进一步的基础研究和技术创新来克服。可拉伸器件的开发是个系统工程，除了有源层材料的优化，衬底、电极、封装材料以及物理厚度和几何形态等各因素的协同配合也至关重要。下一步研究需要综合考虑这些因素的相互作用，以实现系统的集成和整体器件性能的提升。未来的研究方向将集中在深入理解有机半导体的拉伸机制，开发新的分子设计策略，以及优化多组分体系，可以进一步提升材料的拉伸性能和电荷载流子迁移率。此外，通过共混、交联等技术制备的复合材料，将有助于实现更高的机械稳定性和电学性能。随着跨学科合作的加强，结合材料科学、电子工程和生物医学等领域的知识，将推动本征可拉伸有机半导体的创新应用，为智能电子设备的发展提供坚实的材料基础。