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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(chuàng)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(chuàng)造了“有機合成金屬”的新領域。已經(jīng)實現(xiàn)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(shù)CP表現(xiàn)出空穴主導(p型)傳輸行為,而n型類似物的發(fā)展遠遠落后,很少表現(xiàn)出金屬態(tài),通常受到低摻雜效率和環(huán)境不穩(wěn)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(fā)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(jié)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(xiàn)幾乎0.9個電荷的摻雜水平。所得聚合物表現(xiàn)出超過2000 S cm?1的突破性電導率,具有出色的穩(wěn)定性和出乎意料的溶液加工性,無需額外的側(cè)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(tài)的存在。進一步證明了電化學晶體管和熱電發(fā)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(xiàn)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(yōu)選的,這使得(雙)極化子的輕松離域和鏈內(nèi)載流子傳輸成為可能。然而,需要使用絕緣側(cè)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(chǎn)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(shù)n-CP的摻雜效率非常低(通常約為 10%)。
已經(jīng)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(zhuǎn)移,并增強了n摻雜狀態(tài)下的空氣穩(wěn)定性。此外,已經(jīng)開發(fā)了各種空氣穩(wěn)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(jié)果展示(圖源自Nature )
此外,包括摻雜劑/主體混溶性調(diào)整和過渡金屬催化摻雜在內(nèi)的摻雜工藝優(yōu)化進一步提高了n型摻雜效率。迄今為止,已經(jīng)實現(xiàn)了具有里程碑電導率達到100 S cm?1的n-CP。然而,大多數(shù)高性能n-CPs具有復雜的化學結(jié)構(gòu),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(guī)模商業(yè)生產(chǎn)的技術過渡。
目前,要實現(xiàn)與p型CP相媲美的千級電導率和金屬態(tài)的n-CP仍然具有挑戰(zhàn)性。這需要在n-CP的發(fā)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(cè)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(tài)的存在。進一步證明了電化學晶體管和熱電發(fā)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

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