导电聚合物研究应用评论

来源：科匠学术

近日，南方科技大学郭旭岗教授受Nature Materials邀请，联合美国Flexterra公司首席技术官Antonio Facchetti一起撰写评论文章，介绍导电聚合物的学术研究和商业应用，以此纪念导电聚合物获得诺贝尔化学奖20周年。

早期研究

在一次失误的实验中，日本科学家白川英树教授的学生将高于正常当量千倍的催化剂加乙炔进行聚合反应，意外得到了一种亮银色聚合物（图1）——反式聚乙炔薄膜。与此同时，美国宾夕法尼亚大学的麦克迪尔米德教授也从事着导电无机聚合物(SN)x的研究。1975年，麦克迪尔米德在大会上报告并展示了他们的金黄色无机聚合物薄膜。会议休息期间，白川英树与麦克迪尔米德交流，也展示了自己的银白色聚乙炔薄膜。会后，麦克迪尔米德立即邀请白川英树去美国宾夕法尼亚大学与他和物理系教授黑格合作研究。1976年，白川英树、麦克迪尔米德与黑格三人合作通过碘掺杂进行聚乙炔膜的改进研究。最终，他们将薄膜的导电性增加了一千万倍，实现与金属相媲美的导电性（图1），获得了世界上第一个全有机导电聚合物——碘掺杂聚乙炔。该研究成果于1977年发表，即刻便震惊世界。

图 1. 反式聚乙炔的(a)化学结构和(b)掺杂后导电率取得了一千万倍的提升，从而实现了绝缘体到导体的转变。

这项突破性的研究成果极大改变人们对有机聚合物的认识，开创了有机电子学。因此，三位科学家在2000年获得诺贝尔化学奖。在这之后的20年，随着更多材料化学家、应用物理学家和电子工程师的加入这一研究，导电聚合物和有机电子呈现前所未有的爆发式发展，诞生了诸多划时代意义的研究成果，并让有机电子器件走出实验室进入千家万户，例如广泛应用的OLED（有机发光二极管）手机和电视。

图 2. 导电聚合物的掺杂、化学结构和合成。

在发现聚乙炔之前，无机材料聚氮化硫(SN)x是导电聚合物的原型（图2）。这种材料表现出固有的非掺杂金属电导率。同时，它的所有键长相等，意味着沿聚合物主链的键长交替值为零，这是实现高导电性的关键特征。然而，当链的键长交替值不为零时，聚乙炔的结构在能量上更稳定，从而在价带的顶部和导带的底部之间具有能隙，从而有机聚合物在非掺杂条件下表现出绝缘特性。通过掺杂可以减少聚合物的能隙并大幅度提高载流子密度，实现不同程度的半导体行为，甚至导体特性。有机化学家从中很快意识到，使用（杂）芳香环可以设计具有(半)导电特性（CP）可调的未掺杂聚合物。因此，从1980年代发现以聚苯胺和聚吡咯为代表的重要CP开始到1990年代，(半)导电聚合物的种类实现指数增加，而且可通过多种合成策略实现。

在应用和商业化方面的努力

CP的应用由材料的多方面特性共同决定，主要为：加工特性、掺杂水平、氧化还原特性以及电荷传输特性（纯电子类型or混合离子/电子类型）。在电化学合成聚苯胺或聚吡咯中，聚合物可以涂抹在其他物体表面形成高导电薄膜，这为将CP用作抗静电/电磁屏蔽和电池电极材料开辟了道路。目前，CP在抗静电/电磁屏蔽领域已得到广泛的商业化，但是在商用电池的领域并不成功，因为相比于无机材料而言，CP成本很高，除非控制在50美元/kg以内。

图 3. 导电聚合物的应用。

CP更大商业市场的应用是光伏模块的有机太阳能电池、显示器和逻辑电路的有机薄膜晶体管、显示器和照明的有机发光二极管（图3）。此外，CP可作为新兴钙钛矿太阳能电池中的空穴和电子传输层。尽管取得了很高的能量转化效率，然而，这项年轻技术的商业前景仍有待探索。

关于未来

通过三个相互关联的研究努力，CP的领域将继续快速发展，主要表现为：新的分子设计和化学合成，基础研究以改进对材料的理解和发现新的现象，探索用于商业化的新领域或对现有领域深入挖掘。对于既有和新的CP，开发有效的合成方法至关重要。此外，避免有毒试剂和副产物的化学合成方法将增强可持续性发展并具有真正的成本优势。进一步的进展将来自对单分子链和超分子水平的电荷传输的深入物理研究。此外，具有生物兼容性、优异机械柔韧性/可拉伸性的CP，对生物电子领域的应用至关重要。

图 4. 导电聚合物的未来发展方向。

从三位诺贝尔奖获得者的开创性发现到当今的研究，导电聚合物研究应用实现巨大的发展。20世纪的科学发现在21世纪发扬光大，科学家们相信，导电聚合物（包括聚合物半导体）将继续成为材料科学的前沿领域，并扩展到其他学科和行业。