近日,《自然》發(fā)表了一項(xiàng)研究,華南理工大學(xué)黃飛教授、曹鏞院士、馬於光院士與南方科技大學(xué)和北京大學(xué)的團(tuán)隊(duì)合作,提出了一種將氧化聚合和還原摻雜相結(jié)合的方法,通過(guò)一鍋法簡(jiǎn)易制備出高導(dǎo)電n型聚合物——聚苯并二呋喃二酮(PBFDO)。該聚合物具有創(chuàng)紀(jì)錄的電導(dǎo)率,并且具有優(yōu)異的空氣穩(wěn)定性,在無(wú)須額外的側(cè)鏈或表面活性劑的情況下可以通過(guò)與溶劑的強(qiáng)相互作用實(shí)現(xiàn)良好的溶解性和溶液加工性。
此外,黃飛團(tuán)隊(duì)證明了在該聚合物中存在相干電荷輸運(yùn)以及類(lèi)似金屬的泡利磁矩和電磁屏蔽等特性。該材料在n型有機(jī)電化學(xué)晶體管和熱電發(fā)電機(jī)器件中展現(xiàn)出優(yōu)異的性能,從而為這種n型導(dǎo)電高分子在有機(jī)電子學(xué)中的應(yīng)用鋪平了道路。
導(dǎo)電聚合物已經(jīng)在太陽(yáng)能電池、傳感器和一些顯示技術(shù)中得到了廣泛應(yīng)用。但目前已報(bào)道的絕大部分高性能導(dǎo)電聚合物展現(xiàn)出空穴占主導(dǎo)的傳輸特性(p型),而n型導(dǎo)電聚合物的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后,主要表現(xiàn)為摻雜效率較低以及穩(wěn)定性較差。
為了實(shí)現(xiàn)高性能的n型導(dǎo)電聚合物,黃飛及其團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)對(duì)聚合反應(yīng)以及摻雜進(jìn)程精心設(shè)計(jì),利用醌類(lèi)氧化劑可逆的氧化還原特性,在以四甲基苯醌為氧化劑的條件下,首先利用氧化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)苯并二呋喃二酮前驅(qū)體的脫氫聚合。隨著聚合程度的提高,生成聚合物的最低未占據(jù)軌道(LUMO)能級(jí)會(huì)顯著降低,而生成的四甲基氫醌又具有一定的還原性,從而在氧化聚合過(guò)程中同步實(shí)現(xiàn)對(duì)聚合物的還原性n型摻雜。
此外,帶電的共軛骨架和溶劑之間的強(qiáng)相互作用使無(wú)側(cè)鏈的PBFDO具有良好的溶解性。基于其超高的n型電導(dǎo)率和優(yōu)良的環(huán)境穩(wěn)定性,PBFDO在熱電器件和有機(jī)電化學(xué)晶體管的應(yīng)用上展示了良好的應(yīng)用前景,有望通過(guò)進(jìn)一步的工藝改進(jìn)實(shí)現(xiàn)市場(chǎng)化應(yīng)用。
據(jù)了解,目前,用于制備高導(dǎo)電率n型聚合物的單體高純度苯并二呋喃二酮已在企業(yè)實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)和銷(xiāo)售。
相關(guān)論文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-022-05295-8
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