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  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，它們被認為有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，因此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其決定性作用，其中電荷在不同聚合物鏈之間的hopping作用是整體材料傳導的關鍵。因此，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薄膜。在該二維薄膜中所有聚合物鏈將處于完全伸展的expanded-coil構象，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trapping。因此，具有二維晶體結構的導電聚合物薄膜的構筑是提高其導電性和應用性能的關鍵。

圖1. 不同導電聚合物薄膜中電荷的傳輸途徑：a. 大晶粒多晶薄膜；b. 小晶粒多晶薄膜；c. 非晶薄膜（Nat. Mater.  12, 1038–1044, 2013）

  傳統導電聚合物在構筑二維晶體結構中面臨的最主要挑戰是單體和低聚體極易自聚集，因而一般的界面聚合所得到導電聚合物薄膜在微觀上都是納米纖維或顆粒等形貌。近期，德累斯頓工業大學馮新亮教授課題組報道了一種可以大面積制備二維導電聚合物晶體薄膜的方法。該方法充分利用氣-液界面的限域作用以及表面活性劑自組裝単分子層的二維模板作用，克服了導電聚合物合成中容易自聚集的問題。以聚苯胺為例，通過該方法可以得到面積約為50 cm²、厚度為2.6至30 納米的二維聚苯胺薄膜。

圖2.自組裝単分子層輔助氣液界面聚合構筑二維聚苯胺策略

  在選區電子衍射（SAED）表征中，所得的聚苯胺薄膜表現出連續且明亮的單晶衍射圖案，平均晶粒尺寸約為1.5μm。高分辨透射電子顯微鏡（AC-HRTEM）進一步表征表明，在每個晶體內部，所有聚苯胺分子鏈均沿著薄膜橫向排列成完美的expanded-coil構象，這也是首次對聚苯胺分子鏈的分子級成像，對今后導電聚苯胺鏈間傳輸機理研究具有重要意義。通過晶粒尺寸大小，可以估算晶體中聚苯胺分子鏈的長度約為100萬個單體重復單元，對應的分子量為10⁸ g?mol^-1，該分子量比溶液合成的聚苯胺分子量高約三個數量級。

圖3.二維聚苯胺晶體薄膜形貌表征

圖4.二維聚苯胺晶體薄膜結構表征

  由于其優異的晶體結構以及二維形貌，所獲得的二維聚苯胺表現出各向異性的電荷傳輸性能，被鹽酸摻雜后其橫向電導率高達160 S cm^-1。相比之下，通過其他方法構筑的聚苯胺薄膜，由于晶體缺陷及分子鏈的無規構象，在厚度低于20納米時，均難以測出有效導電性。通過該二維聚苯胺薄膜制備的化學傳感器，能夠監測低至30 ppb的氨氣和10 ppm的揮發性有機化合物（VOCs）。由于聚苯胺本身具有非常廣闊的應用前景，該二維聚苯胺薄膜有望在透明電極、柔性電子和選擇性分離膜等許多領域得到應用。這一成果在最新一期的《自然?通訊》上發表（Nature Communications 10, 4225, 2019）。論文的第一作者為德累斯頓工業大學Tao Zhang（張濤）博士，共同第一作者為烏爾姆大學Haoyuan Qi博士和Fraunhofer IKTS研究所Zhongquan Liao博士，通訊作者為Xinliang Feng（馮新亮）教授。

圖5.二維聚苯胺晶體薄膜制備的化學傳感器用于氨氣和VOCs傳感

  鑒于用于聚苯胺合成的氧化自由基聚合，也可用于其他導電聚合物的合成。該界面聚合方法有望用于二維聚吡咯、二維聚噻吩及其衍生二維聚合物晶體薄膜的構筑。

  此外，馮新亮教授團隊在同一天發表的Nature Chemistry文章表明，該方法還可以應用于二維聚酰亞胺（2DPI）和聚酰胺（2DPA）單晶的合成 （Nature Chemistry, 2019, Doi:10.1038/s41557-019-0327-5）。因此，該自組裝単分子層輔助的氣液界面聚合是一種有效且通用的構筑高質量二維（導電）聚合物晶體薄膜的方法，對該領域的發展具有重要意義。

  原文鏈接：

  https://www.nature.com/articles/s41467-019-11921-3

  https://www.nature.com/articles/s41557-019-0327-5