在国家自然科学基金委国际合作与交流项目、重大项目、优秀青年科学基金项目和重大研究计划集成项目（批准号：21420102005，21790360，21722201，91427303）等资助下，我国学者在聚合物的多级组装、聚集态微观结构表征与大面积聚合物晶体管的研究中取得重要进展。研究成果以“Wafer‐Scale Fabrication of High‐Performance n‐Type Polymer Monolayer Transistors Using a Multi‐Level Self‐Assembly Strategy”（利用多级自组装策略实现高性能n型聚合物单分子层晶体管的晶圆级加工）为题，于2018年12月14日发表在Advanced Materials（《先进材料》）上。论文链接：https://doi.org/10.1002/adma.201806747。
共轭聚合物因其柔性、可溶液加工、低成本等优点，在柔性显示、电子皮肤和生物传感等功能器件中有潜在的应用价值。高均匀性的大面积加工是共轭聚合物作为有机半导体材料向实际应用转化的重要一步，但具有很强的挑战性。由于共轭聚合物的分子间强相互作用和复杂的链缠结，溶液加工过程中往往产生结晶与无定形区域、排列缺陷、厚度变化等非均匀性现象，限制了共轭聚合物的大面积加工。如何通过精细调控聚合物从溶液到固相薄膜的聚集态微观结构的组装过程，从而实现共轭聚合物的大面积加工，并进一步形成“从下而上”器件加工方式，成为很有挑战性的科学问题。
北京大学化学与分子工程学院裴坚课题组利用共轭聚合物的多级组装策略实现了聚合物单分子层薄膜的大面积加工。图中共轭聚合物由于分子之间的π−π相互作用和链段缠结，在溶液中组装形成了一维蠕虫状的特征结构，组装体在溶液加工过程中进一步生长，形成了网络结构，最终在基底上形成了二维聚合物单分子层网络。随后，他们在4英寸晶圆上加工了聚合物单分子层网络，其微观结构、高度与器件性能均表现出了很好的均匀性。基于此聚合物单分子层薄膜的场效应晶体管在空气下表现出稳定的电子传输性能，在持续开关1500 s后仍基本不变。相比于传统的旋涂薄膜（厚度大约18 nm），聚合物单分子层薄膜（厚度大约4 nm）保持了相似的电子传输性能，最高电子迁移率可达1.88 cm2 V−1 s−1，是目前报道的聚合物单分子层最高的电子迁移率之一。此工作利用共轭聚合物的多级组装策略形成特定的聚合物固相形貌，为相关科研工作者提供了清晰明确的“分子间相互作用—溶液相组装结构—薄膜微观结构—功能器件性能”的研究策略。这一研究结果对于加工制备大面积的高性能聚合物集成电路具有重要意义。
图. 共轭聚合物的多级组装策略、聚合物的分子结构、大面积加工装置、晶圆级聚合物晶体管阵列及其电子学性能