Nature: 华南理工大学在n型导电聚合物领域获得突破

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自从导电聚乙炔出现以来，人们对于有机聚合物为绝缘体的固有印象被打破，并进一步开展了对导电聚合物的相关研究，促进了“合成金属”这一新兴领域的出现。导电聚合物作为有机高分子材料的重要组成部分，具有溶液加工、柔性等特性，使其成为不同于传统金属的特殊材料，在电子器件中展现出了巨大的应用潜力。目前导电聚合物领域已经取得飞速发展，但目前已报道的绝大部分高性能导电聚合物展现出空穴占主导的传输特性（p型），而电子传输占主导的n型导电聚合物由于其空气稳定性较差以及电导率较低，在有机电子器件中的应用受到了极大限制。

为了实现高性能n型导电聚合物，需要同时实现高效的电子传输和主链中的高载流子浓度。首先，需要设计具有大共轭平面的刚性骨架，使得载流子在聚合物链上易于传输；其次，需要选择适合的掺杂剂和聚合物充分反应，以增加载流子的浓度。然而，一般具有刚性共轭骨架的聚合物不具备良好的溶解性，需要引入侧链或表面活性剂的方式进行功能化，以确保这类聚合物的溶解性和溶液加工性，而这种方式会引入额外的绝缘组分，对电导率产生不利影响。另一方面，目前大多数n型导电聚合物的掺杂效率较低（通常在10%左右），需要进一步降低聚合物的最低未占据轨道（LUMO）能级以及设计空气稳定的高效n型掺杂剂。而这就需要设计十分复杂的分子结构，导致这类n型导电高分子难以得到广泛应用。

最近，华南理工大学黄飞教授、曹镛院士、马於光院士，南方科技大学张元竹教授、郭旭岗教授和北京大学裴坚教授等人共同合作，创新地提出了一种新的n型导电聚合物合成策略。合成的聚合物聚（苯并双呋喃二酮）（PBFDO）展现出超高的电导率（2000 S cm^-1）以及良好的空气稳定性，在有机电化学晶体管、有机热电器件和柔性印刷电极中具有优异的性能和应用前景。该研究成果已通过快速发表（AAP）的形式发表在近期的《自然》杂志上。华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室唐浩然博士为第一作者，黄飞教授为通讯作者，华南理工大学为通讯单位。

研究人员经过对聚合反应以及掺杂进程精心设计，利用醌类氧化剂可逆的氧化还原特性，在以四甲基苯醌为氧化剂的条件下，首先利用氧化反应实现苯并双呋喃二酮前驱体的脱氢聚合；另外，随着聚合程度的提高，生成的聚合物具有极低的还原能级，同时生成的四甲基氢醌又具有一定的还原性，从而同步实现对聚合物的原位n型掺杂。该过程极大地提高了聚合物的n型掺杂效率，获得了导电率达到2000 S cm^-1的n型导电聚合物。

研究团队进一步通过变温电阻，霍尔效应，变温磁阻，电子顺磁共振以及超导量子干涉对材料的传输机制进行了详细研究，发现所合成的n型导电聚合物处于金属-绝缘体（M-I）相变中的临界区，并展现出类似于金属的泡利磁矩以及电子屏蔽等特性。

由于所合成的聚合物具有超高的电导率以及优异的空气稳定性，该研究成果进一步拓展n型导电聚合物的应用场景，并在多种有机电子器件中展示出优异的性能，如有机电化学晶体管、有机热电器件以及柔性印刷电极等。有望通过进一步的工艺改进，实现其市场化应用。目前，用于制备高导电率n型聚合物的单体高纯度苯并双呋喃二酮已在东莞伏安光电科技有限公司实现批量生产和销售。

论文信息：

A solution-processed n-type conducting polymer with ultrahigh conductivity

Haoran Tang, Yuanying Liang, Chunchen Liu, Zhicheng Hu, Yifei Deng, Han Guo, Zidi Yu, Ao Song, Haiyang Zhao, Duokai Zhao, Yuanzhu Zhang, Xugang Guo, Jian Pei, Yuguang Ma, Yong Cao & Fei Huang 

Nature (2022)

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05295-8

作者简介：

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黄飞教授简介

黄飞，男，教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部长江学者特聘教授。现任华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室副主任。主要从事有机聚合物光电材料与器件方面的研究，在新型水醇溶界面材料及界面调控方法、新型聚合物光伏材料与器件等方向做出了系列创新成果。曾获教育部首届青年科学奖，美国化学会Arthur K. Doolittle Award奖，两次参与获得国家自然科学二等奖。任高分子学报副主编，Chemistry of Materials、Sci China Chem等刊物编委，中国材料学会高分子分会副秘书长。

第一作者简介

唐浩然，华南理工大学2014级材料创新班学生，于2022年获得华南理工大学材料科学与工程博士学位。现为华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室黄飞教授课题组博士后。目前的研究重点是高性能n型共轭聚合物的设计和合成及掺杂特性研究。

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