有哪些物质可以被称为导电聚合物？它有什么作用？

以聚乙炔为主做的制备太阳能电池、半导体材料和电活性聚合物等可以称为导电聚合物，因为这种材料是复合型材料，由金属和碳粉等物质合成，又完全不同于由金属或碳粉末，这是一种高分子共混而制成的导电塑料，它本身除了导电高分子的分子结构特征外，还含有由人工掺杂而引入的一价对阴离子或对阳离子所以导电高分子结合两种物质的特点，不仅具有由于掺杂而带来的金属和半导体的特性之外，还有高分子的可分子结构多样化，可加工和比重轻的特点。这一材料还是属于新型材料，问世以来的的时间不长，公布的时间也只有二十年，可是由于它的加工过程不仅能使其他类似聚合物导电，其中一些甚至还可以转化为发光二极管，这个在电子领域具有极为宽阔的前景，使它成为改变未来的五个重要复合材料之一，相关作用还要更多的研究。

一、错中问世

1967年随着日本经济高速发展，对半导体需求加大，日本开始研究有机半导体，由于受到众多因素的影响，化学家白川英树在研究有机半导体时开始使用聚乙炔。有一天，实验室的一位研究生在合成聚乙炔时因为要赶时间做其他事情，无意中把高出几千倍正常浓度的催化剂加了进去，结果把黑色的聚乙炔结成了银色的薄膜。研究生准备丢掉一个失败品，正好被白川英树看到，他想，这薄膜看上去有金属光泽，是不是能导电呢？要是能导电，那就研究也有了新的方向，可是测定结果显示这薄膜不是导体。但是也给了白川英树极大的启发，在后来的研究中，他发现在聚乙炔薄膜内加入碘、溴，其电子状态就会发生变化，但是达不到导体的要求，研究到这里又停滞不前，

二、合作成果

1976年事情出现转机，美国化学家艾伦·麦克德尔米德来日本进行学术交流，听到白川英树的介绍后，便邀请他去宾夕法尼亚大学进行合作研究。他们对聚乙炔分子结构进行了各种试验，经过试验发现经碘蒸气掺杂的反式聚乙炔的导电性相比原来提高了几万倍，电导率与金属极度接近，可是还是不能到理想效果，1977年，他们把这一发现发表在英国皇家化学会的 The Journal of Chemical Society: Chemical Communications上，一来是介绍自己的成果，二来也希望能引起别的科学家的注意能够有新的思路。不得不说，这个方法不错，来自台湾的博士后研究员姜传康看到这篇文章后，结合自己的思路和工作经验，进行加碘蒸气改变聚乙炔的性质，结果，经过测试顺式聚乙炔的导电度因此增加了一百万倍，比一些金属的导电性能更好。第一个导电高分子就此诞生了!他们将这一成果写成了科学论文进行发表，凭借这篇论文他们拿到了2000年诺贝尔奖。

背景

我们生活中遇到的大多数电子器件，通常都是由无机材料例如硅制成，属于无机半导体器件。可是，由于僵硬、易碎、成本高、工艺复杂、生物相容性差等诸多弊端，传统硅基半导体面临着严峻的挑战。此外，硅基半导体的制造工艺也正在逼近物理极限。

因此，世界各国的科学家们正在研制各种新型电子器件来克服这些弊端，进一步提升电子器件的性能，拓展其应用场景。近年来，一种新型电子器件备受科学家们的追捧，它就是由有机半导体材料制成的有机电子器件。有机电子器件不仅具备良好的柔韧性与透明性，而且超薄、超轻、对环境友好。这些材料可通过简单、环保、低成本的工艺进行加工，例如制作成溶液后大面积打印。

这些更加柔韧、轻薄、便携、透明的有机电子产品，可以应用于诸多领域，例如柔性太阳能电池、柔性显示器、柔性传感器、柔性可穿戴设备、植入式设备等。其中，有机发光二极管（OLED）便是一个成功商用的典型案例，最新一代的智能手机已经开始采用OLED显示屏。

创新

今天，笔者要为大家介绍有机电子领域的一项新进展。

近日，日本东京工业大学材料科学与工程系 Tsuyoshi Michinobu 和 Yang Wang 领导的研究团队，报告了一种具有世界领先的电子迁移率性能的单极n型晶体管。他们采用了一种新方法来提升之前被证明很难优化的半导体聚合物电子迁移率。他们的高性能材料实现了达 7.16 cm2 V−1 s−1的电子迁移率，相比于之前可比的成果提升了40%以上。

《Journal of the American Chemical Society》期刊上发表的论文表明，他们专注于提升所谓的“n型半导体聚合物”材料的性能。n型材料以带负电的电子导电为主；相对而言，p型材料以带正电的空穴导电为主。Michinobu 解释道：“因为与带正电的原子团相比，带负电的原子团天生就是不稳定的，所以制造稳定的n型半导体一直是有机电子领域的一个重要挑战。”

技术

然而，这项研究既应对了基本挑战，也满足了实用的需求。Wang 表示，例如，许多有机太阳能电池，就是由p型半导体聚合物和n型富勒烯衍生物制成的。缺点就是，后者成本高，难以合成，不兼容柔性器件。他说：“为了克服这些缺点，高性能的n型半导体聚合物非常有希望能够推进全聚合物太阳能电池方面的研究。”

团队的方法包括采用一系列新型聚合（benzothiadiazole-naphthalenediimide）衍生物，以及微调材料的骨干构象。这种方法可以通过引入“1,2-亚乙烯基桥（vinylene bridges）”来实现。之前的研究表明，这种结构被认为是一种有效的间隔物，而这种间隔物却从来没有在这项研究所关注的聚合物中使用过。它能与相邻的氟原子和氧原子形成氢键。引入这些“1,2-亚乙烯基桥”需要可以优化反应条件的重要技术。

总体来说，生成的材料具有更好的分子包装次序以及更高的强度，这有利于提升电子迁移率。

采用掠入射广角X射线散射（GIWAXS）等技术，研究人员确认他们实现了极短的“π−π堆叠距离（stacking distanc）”，仅为3.40埃米（一埃米为十分之一纳米）。这个距离衡量了在电荷中电荷需要被携带至多远。Michinobu 表示：“对于高迁移率有机半导体聚合物来说，这个距离属于最短的。”

价值

这项成果预示着有机电子将迎来令人振奋的未来，科学家们将开发出创新型的柔性显示器和可穿戴技术。

未来

除此之外，研究人员还面临几项挑战。他说：“我们需要进一步优化骨干结构。同时，侧链基也在决定半导体聚合物的结晶性和包装方向上扮演着重要角色。我们还有改善的空间。”

Wang 指出，对于报告的聚合物来说，最低未占有分子轨道（LUMO）能级在−3.8 eV 到 −3.9 eV之间。他说：“LUMO能级越深，电子输运就越快越稳定。因此，例如，引入sp2-N、氟原子和氯原子的进一步设计，将有助于实现更深的LUMO能级。”

未来，研究人员们也将打算改善n沟道晶体管的空气稳定性。对于实际应用例如类似互补金属氧化物半导体（CMOS）的逻辑电路、全聚合物太阳能电池、有机光电探测器和有机热电器件来说，空气稳定性是一个非常关键的问题。

参考资料

【1】https://www.titech.ac.jp/english/news/2019/043699.html

【2】http://dx.doi.org/10.1021/jacs.8b12499

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