近日，在穆有炳教授的指导下，2022级硕士研究生胡进康以第一作者在《Macromolecules》上发表了题为“Low-Voltage Organic Field-Effect Transistors Using a Phosphocholine-Based Polyampholyte Dielectric”的研究论文。研究生孙牧秋、研究生魏唐丽、本科生陈驰参与了该论文的相关实验工作，万晓波教授为该论文的共同通讯作者。

高介电常数聚合物电介质的开发对柔性有机场效应晶体管(OFETs)具有重要意义。一方面，具有高介电常数的栅极聚电介质可以在通道中产生更多的感生电荷以提高迁移率；另一方面，该类电介质可以降低器件的阈值电压(V_th)和工作电压以实现低功耗运行，这对于制造大规模集成柔性/可穿戴电子产品至关重要。现有报道中，由离子基团或离子组分与聚合物结合而形成的离子型聚合物由于在电场作用下能形成电双层(EDL)或离子极化而表现出显著地提高介电常数或电容的潜力。然而，该类离子型聚合物中未被键合的离子或自由的反离子容易聚集成大的离子域，在高频交变电场下表现出严重的滞后效应，极大地限制了器件运行的稳定性。

图1. 合成的含磷酸胆碱的聚两性电解质（P-PA）及其介电常数和场效应晶体管性能

针对当前存在的问题，团队利用聚氨酯（PU）化学，以共价键将带正、负电荷的磷酸胆碱基团键合到PU（图1）中，获得了具有高介电性能的两性聚合物电介质（P-PA）。该电介质表现出与频率无关的高的介电常数（>6）和低的介电损耗，构筑的OFET器件的阈值电压低至0.07 V（Macromolecules, 2025, DOI：10.1021/acs.macromol.5c00219.）。此外，团队还进一步设计并合成了含磺基甜菜碱两性离子和硝基（强偶极矩分子）的聚两性电解质，系统探讨了两性离子的种类及在其在主链上的位置对聚两性电解质介电性能的影响（图2）。研究表明，两性离子的种类及在其在主链上的位置对聚两性电解质介电性能的影响较大，其中含硝基的NO₂-PU表现出比Z-PU-N⁺（铵离子在主链、磺酸阴离子在侧链）和Z-PU-S-N⁺（铵离子/磺酸阴离子均在侧链上）更高的介电常数，介电常数可达6.5；含有15 mol%硝基的NO₂-PU-15作为栅极介电层的OFET器件表现出最好的性能，其V_th低至-0.02 V（Advanced Electronic Materials, 2024, 11, 2400578.）。合成的四类PU基聚电介质均能形成均匀且机械坚固的薄膜，具有高拉伸强度(>20.0 MPa)和高断裂伸长率(> 400%)，足以满足柔性电子器件的要求。该研究为提高聚合物介质的介电常数提供了一种新的方法，对柔性/可拉伸和可穿戴电子器件具有重要价值。

图2. 含硝基和磺基甜菜碱两性离子的聚两性电解质及其介电常数和场效应晶体管性能

此外，穆有炳教授积极践行科研工作者要把论文写在祖国的大地上的职责使命，通过找准行业“痛点”，以企业需求为导向，在产学研合作上亦取得了显著成效。近五年来，穆有炳教授主持承担了多项百万级横向项目，研发的荒漠化治理用高性能凝胶材料、聚酯混纺再生循环技术等多项新型产品、技术已实现了应用转化，并于近期获得了由H&M基金会发起的2025年度全球变革大奖（Global Change Award, GCA），有效解决了相关行业的“痛点”以及产品在产业化应用中遇到的诸多问题，为企业带来了良好的社会、经济效益。

上述研究得到了湖北省自然科学基金、国家自然科学基金及江汉大学双一流学科建设重点建设学科项目基金的支持。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.macromol.5c00219

https://doi.org/10.1002/aelm.202400578.