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華南理工大學最新Nature

時間:2024-02-07

自從摻雜聚乙炔的開創性工作以來,具有高導電性和溶液加工性的導電聚合物(CPs)取得了巨大的進步,從而創造了“有機合成金屬”的新領域。已經實現了各種高性能CP,這使得多種有機電子器件的應用成為可能。然而,大多數CP表現出空穴主導(p型)傳輸行為,而n型類似物的發展遠遠落后,很少表現出金屬態,通常受到低摻雜效率和環境不穩定性的限制。

2022年9月7日,華南理工大學黃飛教授、曹鏞院士、馬於光院士和北京大學裴堅教授、南方科技大學郭旭崗教授等合作在Nature在線發表題為“A solution-processed n-type conducting polymer with ultrahigh conductivity”的研究論文,該研究提出了一種容易合成的高導電n型聚合物(聚苯二呋喃二酮)(PBFDO)。

該反應結合了氧化聚合和原位還原n摻雜,顯著提高了摻雜效率,并且每個重復單元可以實現幾乎0.9個電荷的摻雜水平。所得聚合物表現出超過2000 S cm?1的突破性電導率,具有出色的穩定性和出乎意料的溶液加工性,無需額外的側鏈或表面活性劑。此外,對PBFDO的詳細研究揭示了相干電荷傳輸特性和金屬態的存在。進一步證明了電化學晶體管和熱電發電機的基準性能,從而為n型CP在有機電子學中的應用鋪平了道路。
為了實現高導電的n型導電聚合物(n-CPs),應該同時獲得高效的電子傳輸和高載流子濃度。對于第一個方面,具有擴展共軛框架的大而剛性的主鏈是優選的,這使得(雙)極化子的輕松離域和鏈內載流子傳輸成為可能。然而,需要使用絕緣側鏈或表面活性劑進行功能化以確保此類聚合物的溶液加工性,這將對導電性產生不利影響。對于第二個方面,摻雜是增加載流子濃度的常用方法。不幸的是,大多數n-CP的摻雜效率非常低(通常約為 10%)。
已經付出了巨大的努力來提高n型摻雜效率。例如,合成了具有低位最低未占分子軌道 (LUMO) 能級的共軛聚合物,熱力學促進了電子從摻雜劑到聚合物的轉移,并增強了n摻雜狀態下的空氣穩定性。此外,已經開發了各種空氣穩定的n型摻雜劑來克服對氧的脆弱性,從而確保在多種聚合物中進行n型摻雜,主要包括有機氫化物、有機金屬、有機自由基二聚體和一價/多價陰離子。

文章部分結果展示(圖源自Nature )
此外,包括摻雜劑/主體混溶性調整和過渡金屬催化摻雜在內的摻雜工藝優化進一步提高了n型摻雜效率。迄今為止,已經實現了具有里程碑電導率達到100 S cm?1的n-CP。然而,大多數高性能n-CPs具有復雜的化學結構,需要繁瑣的摻雜程序,涉及多個合成步驟和無氧條件,限制了從研究到大規模商業生產的技術過渡。
目前,要實現與p型CP相媲美的千級電導率和金屬態的n-CP仍然具有挑戰性。這需要在n-CP的發展方面取得突破。該研究在這里展示了一種溶液加工的無側鏈n-CP聚苯二呋喃二酮 (PBFDO),其突破性電導率達到2000 S cm?1 。此外,對PBFDO的詳細研究揭示了相干電荷傳輸特性和金屬態的存在。進一步證明了電化學晶體管和熱電發電機的基準性能,從而為n型CP在有機電子學中的應用鋪平了道路。

參考消息:

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05295-8

文章來源:Retraction

IEEE Spectrum

《科技縱覽》

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