2月6日，《自然》以《具有金屬性面外導電性的二維聚苯胺晶體》為題，發表了中國科學院寧波材料技術與工程研究所、德累斯頓工業大學、德國馬普高分子研究所、西班牙CIC nanoGUNE-BRTA研究中心等研究團隊的聯合研究成果。他們首次成功制備出一種多層堆疊的二維聚苯胺（2DPANI）晶體，該晶體展現出高導電性及面外金屬性電荷傳輸特性，為導電聚合物材料的研究開辟了新途徑。
導電聚合物是一類具有導電能力的有機聚合物，主要包括聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯等，它們被認為是可能取代傳統半導體和金屬的一類有機材料。
由于導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。
為了實現長距離電荷傳輸，一種有前途的策略是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將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。
不同導電聚合物結構中電荷的傳輸途徑：圖左為一維結構，圖右為二維結構。圖片來源：寧波材料所
因此，具有二維晶體結構的導電聚合物的構筑是優化其電學性質的關鍵。
傳統線性導電聚合物主要通過沿聚合物鏈移動的載流子實現彈道傳輸，而在擴展維度（即聚合物鏈或層之間）的導電性則因缺乏分子間有序性和電子耦合而較弱。《自然》報道的這種新型2DPANI晶體打破了這一局限。
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。第一性原理計算表明，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，科研人員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，紅外等離子體頻率推算出的導電率約為200西門子/厘米（S/cm）。
通過測量在垂直及橫向微器件中的電荷傳輸行為，表明該材料具備約7S/cm的面外電導率和約16S/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，垂直微器件還表現出該材料隨溫度降低而導電性增強的特性，這證明了其獨特的面外金屬性電荷傳輸行為。
科研人員預測，通過優化這種多層堆疊的二維導電聚合物的結構缺陷，有望實現更強的面內與面外電子耦合，甚至可能達到三維金屬導電性的水平。這一研究成果為導電聚合物材料在電極材料、電磁屏蔽、傳感器等領域的應用提供了廣闊前景。
寧波材料所研究員張濤為該論文的共同第一作者，該研究獲國家自然科學基金、浙江省杰出青年基金等項目支持。
相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-08387-9