聚醚侧链COF作为电化学晶体管的n型有机混合离子-电子导体

首页 > 行业动态 > 聚醚侧链COF作为电化学晶体管的n型有机混合离子-电子导体

摘要
中国科学院宁波材料所张涛老师与法国斯特拉斯堡大学Paolo Samorì团队合作发表的研究Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e74084中，设计合成了两种n型COFs（BTID-BFDO COF和BTDD-BFDO COF）作为新型有机混合离子-电子导体OMIECs。基于2D OMIECs的电化学晶体管（OECTs）表现出优异的阈值电压（<0.5 V）、Ion/Ioff比（~10³）和高稳定性（连续运行调制电流保持率91.3%，线性聚合物对照<10%）。

研究背景
1. 行业问题：
现有OMIECs多为线性聚合物，电化学掺杂时过度溶胀和形态无序导致性能衰退和稳定性差，且同时实现高效电子传输、快速离子传输和高强度离子-电子耦合仍具合成挑战。
2. 现有方案：
学者采用在共轭骨架上接枝聚醚侧链的策略引入离子传输能力，但牺牲了骨架电子传输性能；刚性梯形聚合物（如BBL、PBFDO）利用固有自由体积实现离子渗透，但此类结构稀缺，且面临形态不稳定和性能退化问题。
3. 本文创新：
提出以2D COFs作为OMIECs的新策略，通过共价键将共轭构建单元锁定为周期性二维晶格，面内扩展π共轭和面外π-π堆积实现高效电子传输，有序开放纳米孔道作为分子内离子高速通道，刚性多孔框架最小化离子嵌入/脱出时的结构重组，实现前所未有的运行稳定性。

实验部分
1. 材料设计与合成：
以缺电子靛蓝-苯并呋喃酮（IID）为骨架，设计两种具有不同孔道微环境的n型2D COF OMIECs——BTID-BFDO COF和BTDD-BFDO COF，通过溶剂热缩合反应合成，获得高结晶度二维层状结构。
2. OECT器件制备与测试：
将2D COF薄膜作为沟道材料制备OECT器件，测试其电化学调制性能。结果显示阈值电压<0.5 V，Ion/Ioff比达~10³，连续运行调制电流保持率达91.3%，远优于线性聚合物对照（<10%）。
3. 孔道微环境调控实验：
通过对比BTID-BFDO COF和BTDD-BFDO COF两种不同孔道微环境的材料，研究亲水性孔道对离子传输和掺杂效率的影响，揭示孔道微环境对OECT性能的调控作用。
实验突破： 首次将2D COFs作为n型OMIECs应用于OECTs，解决了线性聚合物OMIECs溶胀不稳定的核心痛点，连续运行稳定性提升一个数量级以上。

分析测试
1. 结构与形貌表征：
PXRD证实高结晶度二维层状结构，BET测试表明材料具有有序纳米孔道；电子显微镜观察薄膜形貌，证实均匀连续的沟道层形成。
2. 电化学性能测试：
循环伏安法（CV）显示材料具有深LUMO能级，呈本征半导体行为和清晰的离子注入调制沟道电流特性；OECT转移曲线显示阈值电压<0.5 V，Ion/Ioff比~10³。
3. 稳定性测试：
连续运行测试中，2D COF基OECT调制电流保持率达91.3%，而线性聚合物对照保持率<10%，证实刚性框架有效抑制溶胀导致的性能衰退。
4. 离子传输分析：
亲水性孔道微环境促进电解质离子快速渗透，纳米孔道作为定向离子传输通道，加速离子-电子耦合过程。

机理分析
1. 电荷传输机制：
刚性π共轭骨架提供面内扩展共轭和面外π-π堆积，构建高效电子传输路径，深LUMO能级确保n型半导体特性，实现低阈值电压操作。
2. 离子传输与掺杂机制：
2D COF的有序纳米孔道充当离子高速通道，亲水性孔道微环境降低离子传输能垒，实现快速离子注入/脱出；刚性框架抑制离子嵌入时的结构重组，避免溶胀，这是高稳定性的根本原因。
3. 离子-电子耦合机制：
π共轭骨架同时作为电荷传输通道和离子-电子耦合平面，孔道内离子与骨架电子态紧密耦合，实现高效电化学调制，建立刚性多孔架构中离子传输与掺杂的新机制。

总结
本文首次将2D COFs作为n型OMIECs应用于OECTs，通过刚性π共轭骨架与有序纳米孔道的协同设计，同时实现高效电子传输、快速离子传输和高强度离子-电子耦合。所制备的BTID-BFDO COF和BTDD-BFDO COF基OECTs表现出低阈值电压、高开关比和优异运行稳定性（保持率91.3%），克服了线性聚合物OMIECs溶胀不稳定的核心瓶颈。

文章标题：2D Covalent Organic Frameworks as Robust n-Type Organic Mixed Ionic-Electronic Conductors for Electrochemical Transistors
文章作者：Wenkai Zhao, Junyi Han, Guangen Fu, Yiming Wang, Quanxing Yao, Ling Yin, Yuxiang Zhao, Shengxu Li, Qiang Ma, Guohui Gao, Wan Yue, Xiaojian Zhu, Paolo Samorì, Tao Zhang
DOI：10.1002/anie.5032409
文章链接：https://doi.org/10.1002/anie.5032409

本文为科研用户原创分享，用于学术宣传交流，具体细节请查阅原文。如有错误、侵权，请联系修改删除，未经允许不得复制转载。

中科院宁波材料所张涛团队的Angew研究中，设计2D COFs作为n型OMIECs，刚性骨架与纳米孔道协同实现高效离子-电子耦合，OECT连续运行稳定性保持率达91.3%，远超线性聚合物。