復(fù)旦劉云圻院士/王洋團(tuán)隊(duì)Angew：受體骨架陽(yáng)離子化策略助力高性能n型有機(jī)生物電子材料研發(fā)

有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）因具備低電壓驅(qū)動(dòng)、柔性好、可與生物體系有效耦合等優(yōu)勢(shì)，在生物傳感、健康監(jiān)測(cè)、神經(jīng)接口等方向展現(xiàn)出廣闊應(yīng)用前景。作為器件核心功能材料，有機(jī)混合離子-電子導(dǎo)體（OMIECs）需要同時(shí)實(shí)現(xiàn)高效電子傳輸與快速離子輸運(yùn)。然而，相較于p型材料，n型OMIEC 材料的發(fā)展長(zhǎng)期面臨骨架疏水性強(qiáng)、離子傳輸不足、穩(wěn)定性和電子遷移率難以兼顧等瓶頸問題，這也成為制約高性能n型OECT器件發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。圍繞n型有機(jī)半導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)與有機(jī)電子器件應(yīng)用，劉云圻院士/王洋研究員團(tuán)隊(duì)近年來持續(xù)開展系統(tǒng)研究，在共軛分子結(jié)構(gòu)調(diào)控、載流子傳輸優(yōu)化以及電子器件應(yīng)用等方面積累了扎實(shí)基礎(chǔ)（Nature Energy 2026, 11, 219; Nature Commun. 2026, 17, 5694; Angew. Chem. 2026, 65, e5267333; Angew. Chem. 2025, 64, e202507528; Adv. Mater. 2023, 35, e2210093）。

近日，復(fù)旦大學(xué)智能材料與未來能源創(chuàng)新學(xué)院王洋研究員團(tuán)隊(duì)在有機(jī)生物電子材料領(lǐng)域取得新進(jìn)展。針對(duì)n型OMIEC材料中“電子傳輸”和“離子輸運(yùn)”難以同步提升的問題，王洋等人從受體骨架極性調(diào)控出發(fā)，提出通過骨架陽(yáng)離子化增強(qiáng)材料親離子特性和微結(jié)構(gòu)可調(diào)性的設(shè)計(jì)思路。相關(guān)成果以 “Acceptor Backbone Cationization via B←N Functionalization Enables High-Performance Porous n-Type Organic Mixed Ionic-Electronic Conductors for Biosensors” 為題，發(fā)表在國(guó)際化學(xué)領(lǐng)域頂級(jí)期刊 Angewandte Chemie International Edition 上。該研究提出了一種基于 B←N功能化的受體骨架陽(yáng)離子化 分子設(shè)計(jì)新策略，成功構(gòu)筑了高性能n型有機(jī)混合離子-電子導(dǎo)體材料，為高性能有機(jī)電化學(xué)晶體管及生物傳感器件開發(fā)提供了新思路。

在這項(xiàng)研究中，團(tuán)隊(duì)選擇聯(lián)吡啶和聯(lián)吡嗪受體骨架作為研究對(duì)象，通過引入 B←N配位功能化，實(shí)現(xiàn)了受體骨架陽(yáng)離子化，成功合成出兩種新型n型聚合物材料 PBPyBF3 和 PBPzBF3。這一設(shè)計(jì)不僅有效降低了材料的LUMO能級(jí)，增強(qiáng)了電子注入與傳輸能力，同時(shí)顯著提高了聚合物骨架的極性和親水性，有利于離子在材料內(nèi)部的遷移與交換。

研究發(fā)現(xiàn)，骨架陽(yáng)離子化后，材料在薄膜形成過程中可與溶劑發(fā)生更強(qiáng)相互作用，從而構(gòu)筑出兼具多孔特征與有序堆積的微結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)特征顯著提升了材料的離子輸運(yùn)能力和體積電容，其中 PBPzBF3的體積電容達(dá)到581 F cm?3。進(jìn)一步器件測(cè)試表明，基于 PBPzBF3 的OECT器件實(shí)現(xiàn)了 38.9 S cm?1 的歸一化跨導(dǎo)，以及 215.9 F cm?1 V?1 s?1 的性能因子，展現(xiàn)出優(yōu)異的綜合性能。

除晶體管性能外，研究團(tuán)隊(duì)還將該材料應(yīng)用于體外心電信號(hào)傳感。結(jié)果表明，基于 PBPzBF3 的器件能夠?qū)崿F(xiàn)靈敏、穩(wěn)定的生物電信號(hào)檢測(cè)，體現(xiàn)出其在生物醫(yī)療傳感與柔性電子領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

綜上所述，該研究系統(tǒng)揭示了分子結(jié)構(gòu)、薄膜微結(jié)構(gòu)與離子/電子耦合傳輸性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，表明受體骨架陽(yáng)離子化是一條提升n型OMIEC綜合性能的有效路徑。相關(guān)成果不僅為高性能n型有機(jī)生物電子材料設(shè)計(jì)提供了新策略，也為有機(jī)電化學(xué)晶體管在生物傳感等領(lǐng)域的進(jìn)一步應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

【通訊作者簡(jiǎn)介】

王洋，復(fù)旦大學(xué)青年研究員、博士生導(dǎo)師、聚合物分子工程全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室固定人員。入選上海市海外高層次人才引進(jìn)計(jì)劃、上海市“東方學(xué)者”特聘教授。本科畢業(yè)于西北工業(yè)大學(xué)高分子材料與工程專業(yè)，分別在中科院寧波材料所和日本東京工業(yè)大學(xué)獲碩士、博士學(xué)位，師從葛子義研究員。2019年獲日本學(xué)術(shù)振興會(huì)JSPS特別研究員項(xiàng)目，在理化學(xué)研究所(RIKEN)開展工作，師從K. Takimiya教授。2020年加入復(fù)旦大學(xué)劉云圻院士團(tuán)隊(duì)。

主要從事n型有機(jī)聚合物半導(dǎo)體材料的設(shè)計(jì)、合成及應(yīng)用研究，取得系列創(chuàng)新性成果，迄今以第一/通訊作者在Nature Energy, Nature Commun., JACS+Angew+AM (12篇), Matter, Adv. Funct. Mater., CCS Chem., Chem. Sci. 等期刊上發(fā)表論文60余篇。作為項(xiàng)目負(fù)責(zé)人主持國(guó)自然青年基金、面上項(xiàng)目、上海市自然基金面上項(xiàng)目、重點(diǎn)單位校企聯(lián)合項(xiàng)目等10余項(xiàng)；作為研發(fā)骨干參加十四五國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃重點(diǎn)專項(xiàng)·。獲得浙江省自然科學(xué)二等獎(jiǎng)、英國(guó)皇家化學(xué)會(huì)ChemComm新銳科學(xué)家和MCF新銳科學(xué)家等獎(jiǎng)項(xiàng)或稱號(hào)；擔(dān)任《高分子學(xué)報(bào)》、《高分子通報(bào)》、《CJPS》等中國(guó)高分子三刊青年編委。