三環癸烷二甲醇（TCDDM）在可穿戴半導體中的應用

2026-02-24 09:46:2018

論文研究

共軛中斷間隔基結構設計

現代電子器件對柔性、便攜性及與人體無縫集成的需求日益增長，推動著電子技術的革新。隨著可穿戴傳感器、生物電子界面和軟機器人等技術的快速發展，硅等傳統剛性電子材料已難以滿足需求。共軛聚合物具有可調電子性能和本征柔軟性，成為下一代柔性器件的關鍵支撐材料。盡管研究廣泛，現有工作仍主要聚焦于優化P型遷移率，N型半導體的研究進展相對緩慢。

臺灣成功大學 Ming-Han Chen 團隊2025年發表在《RSC Appl.Interfaces》的論文《N-type Semiconducting Polymers with An Improved Isotropic Mobility–Stretchability Stability by Using Structural Isomers as Conjugation Break Spacers》重點研究了不同脂環族共軛中斷間隔基（CBSs）對萘二酰亞胺（NDI）基 N 型半導體聚合物的性能影響，通過對共軛中斷間隔基（CBSs）的結構進行設計有望使可拉伸半導體聚合物同時具備力學柔性和各向同性電子性能，為可穿戴和可變形電子器件提供支撐。

圖1 共軛中斷間隔基的萘二酰亞胺型材料

文中設計了三種脂環族CBSs如下圖所示：

（1）TCD-CBS:單一結構三環癸烷二甲醇；

（2）rTCDs-CBS:三環癸烷二甲醇異構體混合物；

（3）tCH-CBS:反式-1,4-環己二甲醇；

圖2 脂環族CBS結構

進而探究異構體對半導體材料聚集態、力學性能和電子性能的影響，實現力學柔性與各向同性電學性能的兼顧；解決遷移率各向異性和力學-電學性能平衡兩大關鍵問題。

研究發現

與先前報道的 N 型聚合物相比，整合共軛中斷間隔基（CBSs）的聚合物（特別是 rTCDs）表現出顯著改善的遷移率保留率和降低的應變敏感性。

表1 不同結構遷移率-可拉伸性關系

a 0%應變下測得的遷移率；b 60%應變下評估的遷移率各向同性比；c,d 各施加應變下經最終拉伸-釋放循環后的遷移率保留率（垂直和平行方向），按與對應單循環性能的比值計算；e 聚異丁烯-PNDI2T-聚異丁烯的嵌段共聚物；f 聚（萘二酰亞胺-（噻吩-亞乙烯基-噻吩-亞胺-噻吩））的無規共聚物；g 異山梨醇基共軛中斷間隔基（CBS）；h 與非中心對稱螺 [環烷烴-1,9'-芴] 間隔基無規共聚的聚（二酮吡咯并吡咯-聯噻吩）；i 聚（環戊二噻吩-噻吩基乙烯基-1,1 -二氰基亞甲基-3-茚酮）；j ABA 型三嵌段共聚物，其中A段為聚二甲基硅氧烷，B段為聚（二酮吡咯并吡咯）交替共聚物。

聚合物P3 初始電子遷移率更高，且在60%應變下各項同性較好，但在反復循環后電荷傳輸性能顯著劣化，在長期變形下結構彈性顯著下降。

異山梨醇（ISB）初期電子遷移率低，在60%應變下各向同性優異，但在反復拉伸-釋放循環下，ISB表現出各向異性的電子遷移率保留率。

TCD-CBS 單一確定結構，面取向堆疊，初始遷移率較高，應變作用下機械耐久性較差。

tCH-CBS 柔性單環結構，邊取向堆疊，各向同性傳輸；形變過程中鏈的構象適應性較強，導致遷移率較低且結構穩定性欠佳。

rTCDs-CBS 為混合物，結構無序抑制了結晶度的顯著變化并引入了自由體積，增強了延展性同時保持了足夠的分子堆積；此外，雙峰取向的出現促進了各向同性電荷傳輸，最大限度地減少了方向依賴性失效。在60%應變下保留高本征遷移率和各向同性，還在多次拉伸-釋放循環后保持一致的性能。在40%應變下經1000次循環后，rTCDs 改性半導體在平行于應變方向上的電子遷移率的保留率為 77%，在垂直于應變方向上的電子遷移率的保留率高達104%，為可穿戴及可變性材料的研發提供了新方向。

參考文獻：

[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.