基于二酮吡咯并吡咯的二维聚（芳烯亚烯）具有高载流子迁移率

为什么超快塑料电子学很重要

当今的电子设备大多依赖硅等刚性无机材料。但化学家正在学会如何构建薄如晶片的“塑料”薄片，这些薄片可以以几乎与硅相当的效率传输电荷——有时还能实现硅无法做到的功能。本文报告了一类新型材料：精心设计的二维聚合物，它们在传导电荷方面表现出卓越效率，为柔性电子、先进传感器和光能捕获技术打开了新的可能性。

像乐高积木一样构建平面分子片

研究者关注的不是单个分子或长而纠结的链，而是二维共轭聚合物——像鸡网格那样向各方向延伸的分子薄片。这些有机层具有轻质、可通过化学修饰调节且能在宽波段吸收光等优点。问题在于电荷常常在位点之间缓慢跳跃，限制了器件性能。许多问题来自于薄片内部连接不完善以及堆叠层间的电子接触较差。

配对给电子与受电子单元

为克服这些限制，团队采用了“给体–受体”策略。他们将富电子构件（噻吩基苯并二硫杂蒽类单元）与强吸电子单元（二酮吡咯并吡咯，简称DPP）连接成重复的棋盘式结构。一个称为乙烯键的短碳-碳桥保持主链平面且刚性，使电子能够扩展而非被困于局部位点。计算表明，这一设计在片层内产生非常平滑的电子能带和极轻的载流子——有利于沿层快速传输电荷，而层间传输则明显较慢。

从计算设计到真实材料

在这些预测的指引下，作者通过高温固态反应合成了两种聚合物，将构件缝合成结晶粉末。两种材料仅在连接到DPP单元的小侧链上不同：一种是短甲基链，另一种是较长的己基链。X射线衍射和电子显微镜显示，两者都形成有序的层状结构，堆叠薄片的棒状结构可延伸至微米尺度。光谱学测量证实乙烯键已形成且薄片大体保持平整，这些特征对于载流子的自由移动至关重要。

用太赫兹闪光直接观察电荷移动

为了实际测量电荷的传输性能，团队使用超快太赫兹光谱学，这是一种无需接触的方法，可观测短暂电磁脉冲与光激发电荷的相互作用。在激光脉冲生成可移动的电子和空穴后，太赫兹脉冲在万亿分之一秒的时间尺度上探测它们的运动。响应显示出较长的散射时间——意味着电荷在被偏转前能够行进较远——以及异常高的室温迁移率。其中一种聚合物在粉末形式下的迁移率约为310平方厘米每伏秒，这在这类有机二维材料中创下记录，也高于许多先前研究的框架和聚合物。

对未来技术的意义

简而言之，这些新聚合物像高效的有机电荷高速公路：它们在宽波段吸光、具有异常小的能隙，并且允许电子在超薄分子片上快速移动。通过精心配对给电子与吸电子单元并控制侧链，作者展示了可同时调节结构与性能的可能性。尽管这些成果仍处于材料阶段而非成品器件，但它们指向了由精确设计的分子薄片构建的柔性、轻量化晶体管、光电探测器和能量采集系统的未来方向。

引用: Zhao, R., Yu, H., Zhang, H. et al. Diketopyrrolopyrrole-based two-dimensional poly(arylene vinylene)s with high charge carrier mobility. Nat Commun 17, 1348 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69061-4

关键词: 二维聚合物, 有机半导体, 载流子迁移率, 给体-受体材料, 共价有机框架