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科學新知:2022 Nature (IF 49.962), 透過溶液處理達到超高電導率的n型導電聚合物!

  自摻雜聚乙炔的開創性工作以來,具有高導電性和溶液可加工性的導電聚合物(Conducting polymer,CP)已經取得了巨大的進步,從而開創了「有機合成金屬」的新領域。各種高性能的CP已經被實現,這使得一些有機電子器件的應用成為可能。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。到目前為止,已經實現具有里程碑電導率達到100 S cm-1的n-CP。然而,大多數高性能的n-CP具有複雜的化學結構,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,要實現具有千級電導率和金屬狀態的n-CP且能與p型CPs相媲美仍然是一個挑戰。這就要求在開發n-CP方面取得突破性進展。

  研究者們於2022年在Nature發表一篇研究。此處,作者們提出了一種易於合成的高導電性n型聚合物聚(苯並二呋喃二酮)(PBFDO)。該反應結合了氧化聚合和原位還原n型摻雜,大幅提高了摻雜效率,每重複單元可達到近0.9個電荷摻雜水準。結果發現:

1.所得聚合物具有超過2,000 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,無需額外的側鍊或表面活性劑。

2.此外,對PBFDO的詳細調查顯示了連貫的電荷傳輸特性和金屬狀態的存在。

  進一步證明電化學電晶體管和熱發電機的基準性能,從而為n型CP在有機電子中的應用鋪平了道路。

The possible mechanisms of combined oxidative polymerization and reductive n-doping for the synthe

  結合氧化聚合和還原n摻雜合成PBFDO的可能機制。 該反應從 TMQ 促進的內酯通過自由基途徑二聚開始,然後是氧化脫氫。 隨著氧化聚合的進行,形成的聚合物可以同時摻雜生成的 TMQH。 摻雜還使摻雜的聚合物可溶於 DMSO。

The-temperature-dependent-conductivity-and-Hall-measurement-of-PBFDO-a-Log-log-plot-of

  PBFDO 的溫度相關電導率和霍爾測量值, a ,W(T) 與 PBFDO 薄膜溫度的對數圖。 虛線表示絕緣體和金屬的特性。 b,低溫下的導電性能。 c,霍爾測量示意圖。 d,霍爾電阻 VH/I 在 20 至 323 K 的各種溫度範圍內測量。e,電導率的溫度依賴性 (σ)。 f,假設理想霍爾效應,逆霍爾係數 RH-1 和平均載流子濃度的溫度依賴性。 g,根據 μH = RHσ 估計的霍爾遷移率 μH 的溫度依賴性。

Py-IR spectra of PBFDO at different temperatures

PBFDO 在不同溫度下的 Py-IR 光譜。

本文關鍵字:導電聚合物、Conducting polymer、導電性、conductivity、有機電子、organic electronic、摻雜效率、doping efficiency

原文: https://doi.org/10.1038/s41586-022-05295-8

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A solution-processed n-type conducting polymer

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