導(dǎo)電聚合物是具有導(dǎo)電能力的有機(jī)聚合物，包括聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯等，被認(rèn)為是可能取代傳統(tǒng)半導(dǎo)體和金屬的有機(jī)材料。導(dǎo)電聚合物生成成本低、密度小、成膜性能好、機(jī)械柔韌性更高，具備更廣泛的化學(xué)功能性，有望成為制備下一代有機(jī)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)用性能具有決定性作用。電荷在不同聚合物鏈之間的跳躍作用是整體材料傳導(dǎo)的關(guān)鍵。為實(shí)現(xiàn)長距離電荷傳輸，將線性導(dǎo)電聚合物鏈排列成高度有序的二維晶體材料是有前途的策略。二維結(jié)構(gòu)中所有聚合物鏈將處于平面拓?fù)浣宦?lián)構(gòu)象，能夠?yàn)殒滈g電荷傳輸提供多種途徑，并規(guī)避單個聚合物鏈結(jié)構(gòu)缺陷造成的電荷陷阱。因此，構(gòu)筑具有二維晶體結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電聚合物是優(yōu)化其電學(xué)性質(zhì)的關(guān)鍵。

中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所、德累斯頓工業(yè)大學(xué)、德國馬普高分子研究所、西班牙巴斯克納米科學(xué)合作研究中心等的科研人員，制備出多層堆疊的二維聚苯胺（2DPANI）晶體。這一晶體展現(xiàn)出高導(dǎo)電性與面外金屬性電荷傳輸特性，為導(dǎo)電聚合物材料研究開辟了新途徑。傳統(tǒng)線性導(dǎo)電聚合物主要通過沿聚合物鏈移動的載流子實(shí)現(xiàn)彈道傳輸，而擴(kuò)展維度的導(dǎo)電性因缺乏分子間有序性和電子耦合而較弱。這種新型2DPANI晶體打破了這一局限。

該材料由柱狀π陣列構(gòu)成，層間距約為3.59埃，由交織的聚苯胺鏈形成周期性菱面體晶格。電子自旋共振光譜揭示了2DPANI晶格中顯著的電子離域現(xiàn)象。第一性原理計算顯示，2DPANI中的面內(nèi)二維共軛和由氯橋連接的層堆疊促進(jìn)的強(qiáng)層間電子耦合共同作用，展現(xiàn)了優(yōu)異的導(dǎo)電性能。

為評估單個晶體的導(dǎo)電性，該研究采用太赫茲和紅外納米光譜技術(shù)，揭示了這一材料具有德魯?shù)滦蛯?dǎo)電性，且紅外等離子體頻率推算出導(dǎo)電率約為200 S cm−1。研究通過測量垂直及橫向微器件中的電荷傳輸行為發(fā)現(xiàn)，該材料具備約7 S cm−1的面外電導(dǎo)率和約16 S cm−1的面內(nèi)電導(dǎo)率，展現(xiàn)出各項異性的三維電荷傳輸特性。同時，垂直微器件表現(xiàn)出該材料隨溫度降低而導(dǎo)電性增強(qiáng)的特性，證明其獨(dú)特的面外金屬性電荷傳輸行為。

研究預(yù)測，優(yōu)化多層堆疊的二維導(dǎo)電聚合物的結(jié)構(gòu)缺陷，有望實(shí)現(xiàn)更強(qiáng)的面內(nèi)與面外電子耦合甚至可能達(dá)到三維金屬導(dǎo)電性水平。這一成果為導(dǎo)電聚合物材料在電極材料、電磁屏蔽、傳感器等領(lǐng)域的潛在應(yīng)用打下了基礎(chǔ)。

2月6日，相關(guān)研究成果以《具有金屬性面外導(dǎo)電性的二維聚苯胺晶體》（Two-dimensional polyaniline crystal with metallic out-of-plane conductivity）為題，發(fā)表在《自然》（Nature）上。研究工作得到國家自然科學(xué)基金、浙江省杰出青年基金等的支持。

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二維聚苯胺結(jié)構(gòu)及制備過程示意圖

利用太赫茲、紅外納米光譜及微器件研究二維聚苯胺電學(xué)性質(zhì)