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  導(dǎo)電聚合物是一類具有導(dǎo)電能力的有機聚合物，主要包括聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯等，它們被認(rèn)為有可能取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體和金屬的一類有機材料。由于導(dǎo)電聚合物生成成本低、密度小、成膜性能好、機械柔韌性更高并且具備更廣泛的化學(xué)功能性，因此有望成為制備下一代有機電子器件的核心材料。

  電荷在導(dǎo)電聚合物薄膜中的傳輸效率對其應(yīng)用性能其決定性作用，其中電荷在不同聚合物鏈之間的hopping作用是整體材料傳導(dǎo)的關(guān)鍵。因此，為了實現(xiàn)長距離電荷傳輸，一種有前途的策略是將線性導(dǎo)電聚合物鏈排列成高度有序的二維晶體薄膜。在該二維薄膜中所有聚合物鏈將處于完全伸展的expanded-coil構(gòu)象，將為鏈間電荷傳輸提供多種途徑，并有效規(guī)避單個聚合物鏈結(jié)構(gòu)缺陷所造成的電荷trapping。因此，具有二維晶體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物薄膜的構(gòu)筑是提高其導(dǎo)電性和應(yīng)用性能的關(guān)鍵。

圖1. 不同導(dǎo)電聚合物薄膜中電荷的傳輸途徑：a. 大晶粒多晶薄膜；b. 小晶粒多晶薄膜；c. 非晶薄膜（Nat. Mater.  12, 1038–1044, 2013）

  傳統(tǒng)導(dǎo)電聚合物在構(gòu)筑二維晶體結(jié)構(gòu)中面臨的最主要挑戰(zhàn)是單體和低聚體極易自聚集，因而一般的界面聚合所得到導(dǎo)電聚合物薄膜在微觀上都是納米纖維或顆粒等形貌。近期，德累斯頓工業(yè)大學(xué)馮新亮教授課題組報道了一種可以大面積制備二維導(dǎo)電聚合物晶體薄膜的方法。該方法充分利用氣-液界面的限域作用以及表面活性劑自組裝単分子層的二維模板作用，克服了導(dǎo)電聚合物合成中容易自聚集的問題。以聚苯胺為例，通過該方法可以得到面積約為50 cm²、厚度為2.6至30 納米的二維聚苯胺薄膜。

圖2.自組裝単分子層輔助氣液界面聚合構(gòu)筑二維聚苯胺策略

  在選區(qū)電子衍射（SAED）表征中，所得的聚苯胺薄膜表現(xiàn)出連續(xù)且明亮的單晶衍射圖案，平均晶粒尺寸約為1.5μm。高分辨透射電子顯微鏡（AC-HRTEM）進(jìn)一步表征表明，在每個晶體內(nèi)部，所有聚苯胺分子鏈均沿著薄膜橫向排列成完美的expanded-coil構(gòu)象，這也是首次對聚苯胺分子鏈的分子級成像，對今后導(dǎo)電聚苯胺鏈間傳輸機理研究具有重要意義。通過晶粒尺寸大小，可以估算晶體中聚苯胺分子鏈的長度約為100萬個單體重復(fù)單元，對應(yīng)的分子量為10⁸ g?mol^-1，該分子量比溶液合成的聚苯胺分子量高約三個數(shù)量級。

圖3.二維聚苯胺晶體薄膜形貌表征

圖4.二維聚苯胺晶體薄膜結(jié)構(gòu)表征

  由于其優(yōu)異的晶體結(jié)構(gòu)以及二維形貌，所獲得的二維聚苯胺表現(xiàn)出各向異性的電荷傳輸性能，被鹽酸摻雜后其橫向電導(dǎo)率高達(dá)160 S cm^-1。相比之下，通過其他方法構(gòu)筑的聚苯胺薄膜，由于晶體缺陷及分子鏈的無規(guī)構(gòu)象，在厚度低于20納米時，均難以測出有效導(dǎo)電性。通過該二維聚苯胺薄膜制備的化學(xué)傳感器，能夠監(jiān)測低至30 ppb的氨氣和10 ppm的揮發(fā)性有機化合物（VOCs）。由于聚苯胺本身具有非常廣闊的應(yīng)用前景，該二維聚苯胺薄膜有望在透明電極、柔性電子和選擇性分離膜等許多領(lǐng)域得到應(yīng)用。這一成果在最新一期的《自然?通訊》上發(fā)表（Nature Communications 10, 4225, 2019）。論文的第一作者為德累斯頓工業(yè)大學(xué)Tao Zhang（張濤）博士，共同第一作者為烏爾姆大學(xué)Haoyuan Qi博士和Fraunhofer IKTS研究所Zhongquan Liao博士，通訊作者為Xinliang Feng（馮新亮）教授。

圖5.二維聚苯胺晶體薄膜制備的化學(xué)傳感器用于氨氣和VOCs傳感

  鑒于用于聚苯胺合成的氧化自由基聚合，也可用于其他導(dǎo)電聚合物的合成。該界面聚合方法有望用于二維聚吡咯、二維聚噻吩及其衍生二維聚合物晶體薄膜的構(gòu)筑。

  此外，馮新亮教授團(tuán)隊在同一天發(fā)表的Nature Chemistry文章表明，該方法還可以應(yīng)用于二維聚酰亞胺（2DPI）和聚酰胺（2DPA）單晶的合成 （Nature Chemistry, 2019, Doi:10.1038/s41557-019-0327-5）。因此，該自組裝単分子層輔助的氣液界面聚合是一種有效且通用的構(gòu)筑高質(zhì)量二維（導(dǎo)電）聚合物晶體薄膜的方法，對該領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

  原文鏈接：

  https://www.nature.com/articles/s41467-019-11921-3

  https://www.nature.com/articles/s41557-019-0327-5