| |
 |
图1 导电聚合物PBFDO的合成机理图
图2 PBFDO在有机电子器件中的应用。(a-c)有机电化学晶体管；(d,e)有机热电发电机；(f)柔性印刷电极
在国家自然科学基金项目（批准号：U21A6002）等资助下，华南理工大学发光材料与器件国家重点实验室黄飞教授、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，并实现了具备超高电导率及优异稳定性的n型导电聚合物的制备。研究成果以“一种可溶液加工的具备超高电导率的n型导电聚合物（A solution-processed n-type conducting polymer with ultrahigh conductivity）”为题，于2022年9月8日通过快速发表的形式在线发表于《自然》（Nature）杂志，论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05295-8。
自从上世纪70年代导电聚合物聚乙炔被发现，“合成金属”成为高分子科学的新兴领域，但是聚乙炔不溶不熔，很难加工成为具有实用意义的材料。曹镛院士1992年提出“对阴离子诱导加工”的方法，实现导电聚苯胺的溶液加工，这是第一个具备实用化价值的导电聚合物，并以此为基础制备了聚苯胺透明柔性电极实现了第一个聚合物柔性发光器件，开创了柔性电子先河。然而，聚苯胺及后续由拜尔公司发展的PEDOT均为p-型导电材料，有机n-型高导材料一直未获大的进展。马於光院士接棒曹镛院士思想推动强相互作用难溶有机半导体研究，在基于苝酰亚胺体系的n-型导电和铁磁半导体方面取得一些重要进展。近年来华南理工大学团队新一代学术带头人黄飞教授探索提高有机n-型导电材料导电率的新路径，在有机聚合物导电领域最重要的材料方面取得重大突破。
研究团队将氧化聚合和还原掺杂相结合，利用醌类氧化剂可逆的氧化还原特性，一锅法简易制备出导电率达到2000 S cm-1的n型导电聚合物，聚（苯并双呋喃二酮）（PBFDO）。通过掺杂使得聚合物主链与溶剂间存在强相互作用，使得该材料在无需烷基侧链或者表面活性剂的情况下具有良好的溶解性和溶液加工性。另外该材料具有极深的还原电位（-5.2 eV），从而具有优异的空气稳定性，具有实用化前景（图1）。
基于PBFDO超高的电导率以及空气稳定性，其在多种有机电子器件应用方面显示潜力，如在有机电化学晶体管中展现出1970 S cm-1的超高跨导以及优异的工作稳定性；可制备在空气中稳定运行的n型有机热电器件，功率因子接近90 μW m−1 K−2；可用于印刷制备柔性电极等。以发光材料与器件国家重点实验室知识产权为背景的东莞伏安光电公司已布局开发PBFDO及相关产品，推动实际应用（图2）。