总结 | PEDOT:PSS在有机电化学装置中近20年的研究进展

来源：材料前沿科技

PROGRESS REPORT

共轭聚合物中的电荷积累和由电解质提供的离子电荷补偿之间的耦合，决定了不同有机电化学装置的运行模式。研究最多的混合有机离子电子导体，是掺杂了聚苯乙烯磺酸盐（PSS）的聚（3,4-乙烯二氧噻吩）（PEDOT:PSS），常用作活性电极。

PEDOT材料中的掺杂-去掺杂转换，也就是共轭聚合物中离子和电子电荷之间的耦合，控制着材料的电子、物理和化学特性。该耦合的动态控制已经用于各种电化学装置中（至少包含有聚合物电极、电解质和反电极）。

Advanced Materials, 

DOI: 10.1002/adma.201805813

来自瑞典林雪平大学有机电子实验室的科学家们，回顾了他们过去二十年在有机电化学装置领域取得的进展，特别是PEDOT:PSS作为活性材料的研究进展。他们从Inganäs教授的早期工作中获得灵感，提出了许多应用于各种新型电化学装置的概念和理论。

这篇综述通过具体例子，即利用这种离子-电子耦合作用运行的各种器件/现象，例如有机电化学晶体管、离子电子热扩散、电致变色器件、表面开关等，对近来提出的、关于PEDOT的体积电容和混合离子-电子电荷传输特性的解释进行了描述。

内容包括：

PEDOT的形态学和电子传输

有机电化学晶体管

电致变色器件

离子电子热扩散

神经电极

PEDOT:PSS

1. PEDOT的形态学

使用原子分子动力学模拟PEDOT掺杂分子甲苯磺酸酯（PEDOT:Tos）的形态的理论模型。PEDOT:Tos被发现是一种整体无序的材料，其中，由3-6个π-π堆叠链（堆叠距离为3.4）组成的小微晶嵌入PEDOT链的非晶矩阵中，并通过互穿π-π堆叠链连接。PEDOT中的结晶（即微晶的形成）在较早阶段发生，并且当结晶期间水蒸发时，微晶的尺寸不会显著改变。结晶期间，微晶在间隔≈12Å的分离层状结构中组装。

图1：a）PEDOT和Tos的分子结构；b-d）水蒸发至干燥时PEDOT:Tos的结构；e）代表微晶的放大；f）放大结构的一部分，说明层状结构的形成。

2. PEDOT中的电子传输

对PEDOT薄膜的传输特性进行多尺度建模，将电子迁移率与系统的物理化学性质联系起来。建模从分子动力学模拟开始，以产生真实的聚合物形态。基于计算出的形态，进行在聚合物链之间的转移积分的量子力学计算，接着用于计算跳频速率；然后构建连接所有聚合物链的传输电阻网络，并且使用平均场方法计算移动性。这里考虑具有不同链长（N = 3-18）和水合水平（W = 13％和43％wt％）的系统。结果发现，移动性呈指数增长，直到链长N≈15时达到饱和。根据逾渗阈值和转移积分分布P（|H|2）来解释该行为：P（|H|2）显示对应于π-π堆叠链之间的有效跳跃的显著峰值（峰值“A”），而未对准的链（对应于低跳跃率）产生峰值“B”；随着链长增加，渗透阈值移向峰值“A”，此时传输网络有效地通过π-π跳跃连接系统中的所有链。

图2：a）计算的PEDOT形态和相应的电阻网络的示意图；b）重叠积分H的计算；c）电阻网络中的一个节点i与占用概率pi和跳频概率ωij；d）图e所示的跳跃积分概率分布P（|H|2）中的峰值“A”和“B”的图示；f）移动性对链长N和水含量W的依赖性。