近年来，共轭聚合物（CPs）在柔性电子、有机晶体管与光伏器件等领域展现出广阔应用前景。然而，这类材料在高温环境下的构象不稳定常导致电荷迁移率下降、吸收性能劣化，成为其器件长期运行的关键瓶颈。

  近日，由南密西西比大学（University of Southern Mississippi, USM）顾晓丹教授团队牵头，联合爱荷华州立大学（Iowa State University, ISU）航天工程系夏文杰教授团队，在《Matter》发表研究论文，题为：“Approaching highly stable optoelectronic device operation at elevated temperature by locking backbone torsion of conjugated polymers”。

  为揭示共轭聚合物热转变行为的分子机制，该研究结合实验与多尺度分子模拟，系统解析了主链构象调控对热稳定性的作用机制，并提出一种通过分子内氢键锁定主链扭转构象的策略以提升器件稳定性。图1 通过材料介电性能表征（BDS）与器件电学性能测试，揭示DPP聚合物在升温过程中的电学性能演化。图2 利用动态热机械分析（DMA）与准弹性中子散射（QENS）结合选择性侧链氘代标记，系统表征了主链与侧链的双阶段玻璃化转变行为，分别出现在 200 K 和 270 K，构建出 DPP 类聚合物的分段热转变图谱。同时，分子动力学模拟进一步揭示了DPP聚合物复杂的分子链松弛行为。图3 通过 变温FTIR 和 UV-vis 展示了DPP聚合物主链扭转构象及其对光学吸收的影响。图4 总结了 DPP 聚合物的三阶段热转变模型：第一阶段（~200 K）为烷基侧链玻璃化，第二阶段（~270 K）对应主链玻璃化，第三阶段（~400 K）与噻吩环的扭曲运动相关，是影响聚合物光电稳定性的关键。图5 进一步展示了引入分子内氢键如何显著增强主链构象刚性，并延迟热诱导构象扭转，从而实现器件性能的提升。实验通过迁移率、电学响应、FTIR 和 UV-vis 分析，确认氢键锁定策略在分子尺度的有效性。

图1 随温度变化的电荷传输性能

图2 DPP 聚合物的链段动力学行为

图3 DPP聚合物的主链构象扭转

图4 DPP 共轭聚合物中三阶段热转变的示意图

图5 利用氢键作用提升有机场效应晶体管（OFET）稳定性

  该研究由USM曹志强博士与ISU李兆凡博士共同一作合作完成，围绕共轭聚合物在高温条件下的构象稳定性与玻璃化转变行为展开系统研究。通过引入主链氢键锁定策略，有效抑制了热驱动的扭转构象变化，显著提升了材料和器件的热稳定性。本工作是团队长期致力于共轭聚合物单链构象调控结构–性能关系研究的重要进展。前期相关代表性成果包括：

• Molecular Structure and Conformational Design of Donor‐Acceptor Conjugated Polymers to Enable Predictable Optoelectronic Property

  
  

• Probing Single-Chain Conformation and Its Impact on the Optoelectronic Properties of Donor–Acceptor Conjugated Polymers

  这些研究系统揭示了单链构象在聚合物宏观热力学与光电性能中的核心作用，为实现高性能共轭聚合物的分子工程设计提供了理论依据与实践策略。

  原文链接：https://authors.elsevier.com/sd/article/S2590-2385(25)00238-3