中外科研團隊首次制備出多層堆疊二維聚苯胺晶體

記者2月6日從中國科學院寧波材料技術與工程研究所獲悉，該所張濤團隊聯合德國德累斯頓工業大學等科研團隊，首次制備出一種多層堆疊的二維聚苯胺（2DPANI）晶體，為導電聚合物材料研究開辟新途徑。相關研究成果發表在國際期刊《自然》上。

導電聚合物是具有導電能力的有機聚合物，由于其生成成本低、密度小、成膜性能好、機械柔韌性較高，并且具備廣泛的化學功能性，有望成為制備下一代有機電子器件的核心材料。

電荷在導電聚合物薄膜中的傳輸效率對其應用性能具有決定性作用，其中電荷在不同聚合物鏈之間的跳躍作用是整體材料傳導的關鍵。“構筑具有二維晶體結構的導電聚合物是優化其電學性質的關鍵。”中國科學院寧波材料技術與工程研究所張濤研究員介紹，“為了實現長距離電荷傳輸，我們將線性導電聚合物鏈排列成高度有序的二維晶體材料。在該二維結構中所有聚合物鏈處于平面拓撲交聯構象，這將為鏈間電荷傳輸提供多種途徑，并有效規避單個聚合物鏈結構缺陷所造成的電荷陷阱。”

該材料由柱狀π陣列構成，層間距約為3.59埃，并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象。研究顯示，2DPANI中的面內二維共軛和由氯橋連接的層堆疊促進的強層間電子耦合共同作用，實現了優異的導電性能。 

為評估單個晶體的導電性，科研團隊采用太赫茲和紅外納米光譜技術，揭示了該材料具有德魯德型導電性，并以紅外等離子體頻率推算出其導電率約為200 S/cm。通過測量該材料在垂直及橫向微器件中的電荷傳輸行為，科研團隊發現，其具備約7 S/cm的面外電導率和約16 S/cm的面內電導率，展現出各項異性的三維電荷傳輸特性。此外，該材料還顯示出隨溫度降低導電性增強的特性，證明了其獨特的面外金屬性電荷傳輸行為。

據介紹，通過優化這種多層堆疊的二維導電聚合物的結構缺陷，更強的面內與面外電子耦合有望實現。這一成果為導電聚合物在電極材料、電磁屏蔽、傳感器等領域的應用提供了廣闊前景。