- 科研人員制備出具有優良導電性能的多層堆疊二維聚苯胺晶體
- 來源：寧波材料技術與工程研究所 發表于 2025/2/6
導電聚合物是具有導電能力的有機聚合物，包括聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯等，被認為是可能取代傳統半導體和金屬的有機材料。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，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。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。為實現長距離電荷傳輸，將線性導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。二維結構中所有聚合物鏈將處于平面拓撲交聯構象，能夠為鏈間電荷傳輸提供多種途徑，并規避單個聚合物鏈結構缺陷造成的電荷陷阱。因此，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、德累斯頓工業大學、德國馬普高分子研究所、西班牙巴斯克納米科學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。這一晶體展現出高導電性與面外金屬性電荷傳輸特性，為導電聚合物材料研究開辟了新途徑。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，而擴展維度的導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象。第一性原理計算顯示，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，展現了優異的導電性能。
為評估單個晶體的導電性，該研究采用太赫茲和紅外納米光譜技術，揭示了這一材料具有德魯德型導電性，且紅外等離子體頻率推算出導電率約為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現，該材料具備約7 S cm−1的面外電導率和約16 S cm−1的面內電導率，展現出各項異性的三維電荷傳輸特性。同時，垂直微器件表現出該材料隨溫度降低而導電性增強的特性，證明其獨特的面外金屬性電荷傳輸行為。
研究預測，優化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水平。這一成果為導電聚合物材料在電極材料、電磁屏蔽、傳感器等領域的潛在應用打下了基礎。
2月6日，相關研究成果以《具有金屬性面外導電性的二維聚苯胺晶體》（Two-dimensional polyaniline crystal with metallic out-of-plane conductivity）為題，發表在《自然》（Nature）上。研究工作得到國家自然科學基金、浙江省杰出青年基金等的支持。
二維聚苯胺結構及制備過程示意圖
利用太赫茲、紅外納米光譜及微器件研究二維聚苯胺電學性質
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