共軛高分子由于具有容易加工的特性，被廣泛應(yīng)用于柔性顯示、太陽電池、集成電路等領(lǐng)域，已經(jīng)成為高分子領(lǐng)域的重要分支。因此通過簡單而行之有效的方法調(diào)控其形貌，從而顯著提高其性能成為近年來的研究熱點(diǎn)。

　　中國科學(xué)院長春應(yīng)用化學(xué)研究所楊小牛研究員等瞄準(zhǔn)這一重要研究方向，以共軛高分子及其復(fù)合薄膜為研究對象，緊密圍繞共軛高分子凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)與器件性能之間的關(guān)系開展研究，從電荷傳輸能壘、共軛高分子結(jié)晶動力學(xué)和熱力學(xué)等方面揭示了電荷輸運(yùn)增強(qiáng)和復(fù)合薄膜形態(tài)精確調(diào)控機(jī)理，為制備高導(dǎo)電率的復(fù)合薄膜和高效聚合物太陽電池提供必要的理論和實(shí)驗(yàn)依據(jù)，日前該成果榮獲2014年吉林省自然科學(xué)獎一等獎。

　　他們率先發(fā)現(xiàn)絕緣基質(zhì)增強(qiáng)半導(dǎo)體高分子導(dǎo)電率和遷移率的現(xiàn)象，提出通過溶液自組裝的途徑實(shí)現(xiàn)兩相界面和相分離尺度控制的新方法，制備出導(dǎo)電性能優(yōu)異的半導(dǎo)體/絕緣體高分子復(fù)合材料。首次采用導(dǎo)電原子力、低溫變溫條件下的電荷傳輸行為等手段，詳細(xì)研究了絕緣基質(zhì)增強(qiáng)共軛高分子導(dǎo)電率的現(xiàn)象，揭示了電荷傳輸增強(qiáng)機(jī)理以及實(shí)現(xiàn)導(dǎo)電率增強(qiáng)的關(guān)鍵因素和必要條件，為開發(fā)具有優(yōu)異導(dǎo)電性能、易加工、廉價(jià)和穩(wěn)定的高分子復(fù)合材料開辟了新途徑。

　　該研究首次提出并實(shí)現(xiàn)可控溶劑氣氛處理，率先獲得聚噻吩主鏈垂直于基底排列的新取向方式，突破了傳統(tǒng)的薄膜厚度對縱向電荷遷移率的限制；系統(tǒng)地研究了聚噻吩模型體系的結(jié)晶動力學(xué)和熱力學(xué)行為，率先在可控溶劑氣氛/熱退火條件下實(shí)現(xiàn)了不同晶型之間的相互轉(zhuǎn)變，得出噻吩主鏈垂直于基底排列是熱力學(xué)穩(wěn)定態(tài)的重要結(jié)論。提出利用共軛高分子的可結(jié)晶性在溶液中構(gòu)建有序前驅(qū)體制備“電子墨水”的新方法，消除了熱退火等工藝對大面積器件制備工藝的限制，實(shí)現(xiàn)了一步法制備高結(jié)晶度、高遷移率、高光電轉(zhuǎn)化效率的光敏層工藝，形成了制備大面積聚合物太陽電池的能力。

　　他們率先利用3D電子掃描重建技術(shù)實(shí)現(xiàn)真正意義上光敏層的三維立體結(jié)構(gòu)可視化，揭示了電荷在光敏層中的傳輸機(jī)制，明晰了復(fù)合薄膜光敏層凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)調(diào)控的方向，構(gòu)建了激子擴(kuò)散、解離、電荷傳輸和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)之間的三維立體模型，該模型成為有機(jī)電池領(lǐng)域的經(jīng)典模型，為聚合物太陽電池效率提升奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

　　左：可控溶劑氣氛處理裝置示意圖；中：絕緣基質(zhì)增強(qiáng)的半導(dǎo)體高分子導(dǎo)電率及其形態(tài)；右：聚合物太陽電池光敏薄膜3D形態(tài)與模型。