电荷载体如何在共轭聚合物中移动

聚合物材料的扫描透射电子显微照片（阀杆）显示成晶体区（有序点的光面积）和无定形无序的基质，被视为深色背景。原始的2-D Step视图呈现为3-D形式以创建此可视化。图像：asli ugur

在来自麻省理工学院和布鲁克海文国家实验室的新出版的学习科学家揭示了电荷载体如何在共轭聚合物中移动，潜在地对这些应用进行进一步的研究。

称为缀合聚合物的材料已被视为电子应用的非常有希望的候选者，包括电容器，光电二极管，传感器，有机发光二极管和热电装置。但他们面临着一个主要障碍：没有人能够解释在这些材料中的电气传导是如何运作的，或者预测在这些设备中使用时如何表现。

现在，MIT和Brookhaven国家实验室的研究人员已经解释了电荷载体如何在这些化合物中移动，潜在地对这些应用进行进一步的研究。提出了新发现的论文正在发表在杂志的先进材料中。

Asli Ugur，Asli Ugur，The MIT Postdoc和纸张的铅作者表示，共轭聚合物落在晶体和非晶材料之间的某处 - 这导致了一些困难。晶体具有完全规则的原子和分子排列，而无定形材料具有完全随机的布置。但缀合物聚合物具有一些特征：有序排列的区域，随机混合，与完全紊乱的区域混合。

“一些模型试图解释这些材料如何表现，但没有直接证据，”Ugur说，其中模特与现实相匹配。“在这里，我们已经表明，晶体尺寸” - 材料内有序域的尺寸 - 起到至关重要的作用。

这是因为这些材料中的传导的最棘手的部分是电荷载体 - 在这种情况下，或电荷的原子 - 到达一种类型的域的边缘并且必须将“跳跃”进入下一个。

图显示了MIT团队执行的实验中的底皮聚合物链相对于基板表面（底部的白色平面）的可能取向。由研究人员礼貌

在散装材料中，这些离子可以朝任何方向均匀。但在这种可以非常薄的聚合物中，离子可以跳的相邻结晶域较少。UGUR说，通过更少的选择，传导更有效，增加了，“当你变得更薄时，[传导]的条件改善，即使材料没有改变。”

以前的模型这些材料的电气行为的尝试集中于其化学性质。“人们没有考虑到晶体，”亚历山大和I. Michael Kasser教授化学工程教授Karen Gleason说。结果，对这些材料的电学特性的理解“即使在调查的几十年后仍然不完整，”团队在纸上写道。

机械工程副教授Kriipa Varanasi说：“我们想开发我们可以独立控制其热电性和电气性能的材料。我们受到启发，开发有机无机界面，因为它们可以产生许多不存在于相应的散装材料中的新功能。“

Varanasi解释说，大多数时间，材料的电气和导热性都在一起，但是实现了热电和电荷运输的独立调整，可能导致热管理，柔性电子和光子，热电和热和电气覆盖的广泛应用。

研究人员分析了一种称为佩特特的共轭聚合物，已知具有良好的导电性和稳定性的有希望的组合。Glason说，这项新研究可能有助于回答的一个关键问题是：“这种聚合物中的传导的上限是多少？”

这是评估其对各种应用潜在有用性所需的信息。当首先开发材料时，它具有每厘米1至10个西门子的电导率，或者S / cm，Gleason说;随着时间的推移，它得到了改善的“接近100”的水平。现在，随着这支球队进行的新分析，已经实现了超过3,000个S / cm的电导率。瓦拉纳西说，通过创建放大跳跃机制的超显言层，“我们能够实现超透明，以及高度透明的薄膜。”

Glason说，电子产品中广泛使用的其他半导体材料实现甚至更高的值，例如8,000 s / cm，或ITO。但是，她指出，那些材料僵硬且脆，而共轭聚合​​物是柔性的，在弯曲或柔性器件中打开潜在的应用。

虽然研究是用PEDOT进行的，但UGUR说，发现“应该是全面的共轭聚合物的调查结果。”（聚合物的结构由长链组成;共轭聚合物是那些具有至少一个“骨架”的那些，包括交替的双和单一化学键，使它们导电。

Pedot具有三种性质的组合，使其具有巨大的潜力，Glason说：导电性，透明度和灵活性。“在使用ITO的任何地方，您可以考虑使用此” - 具有额外的灵活性。该团队在其他可能性中，聚合物材料可以具有柔性太阳能电池，显示和触摸屏中的应用。

茎图像显示嫁接到基底材料上的佩特聚合物的横截面视图。将材料加热至100摄氏度（a），然后加热至200℃（b）。高温材料（C）和（D）的较高分辨率视图显示出良好有序的晶体区域。由研究人员礼貌

“这项工作是对导电聚合物薄膜的开发和理解的重要一步，”荷兰埃因霍温理工大学薄膜光伏教授Ruud Schropp说，荷兰的薄膜光伏教授，他没有参与这项工作。他补充说，发现“解释了未移植的非晶染料膜的反向效果比接枝薄膜具有更高的导电性。这种洞察力可以提供一种途径，用于使聚合物薄膜的电导率接近其透明氧化物对应物，例如ITO。“

该研究团队还包括MIT Postdoc Ferhat Katmis和研究生Mingda Lee，以及Brookhaven国家实验室研究科学家Lijun Wu和Yimei Zhu。该作品得到了美国军队研究办公室的合同和美国能源部的合同下的士兵纳米技术研究所的支持。

出版物：Asli Ugur等人，“低导电透明缀合聚合物中的低维传导机制”，2015年先进的材料; DOI：10.1002 / ADMA.201502340