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华南理工大学黄飞、刘春晨《Angew》:高自旋基态和高本征电导率的n型开壳共轭聚合物

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导电聚合物(CPs)在有机电极(OEs)、有机光伏(OPVs)、有机电化学晶体管(OECTs)以及有机热电(OTEs)等领域中都具有广泛的应用。自从导电聚乙炔被发现以来,围绕导电聚合物的合成、表征和应用的研究都取得了丰硕的成果。目前,n型导电聚合物的发展远远滞后于p型聚合物,以PEDOT:PSS为代表的p型导电聚合物已经逐步实现了商业化应用。近期,黄飞教授团队报道了一种具有超高电导率和优异稳定性的n型导电聚合物PBFDO,为n型导电聚合物的设计合成提供了新的设计策略。

利用强缺电子单元构筑D-A型聚合物是合成n型聚合物的常用方法,例如苯并二呋喃二酮(BFDO)单元已被广泛应用于合成n型共轭聚合物,并且这些聚合物都表现出出色的电子迁移率(μe)和电导率(σ)。为了提高n型聚合物的电导率,通常需要通过化学掺杂来增加n型聚合物中的载流子浓度。但是化学掺杂可能会带来材料和器件的不稳定性、加工和性能的不确定性和以及与电极和基底之间的不兼容性等问题。根据文献报道,在基于共轭体系的开壳双自由基材料中,开壳和闭壳共振结构的共存可以促进材料的自掺杂,从而实现材料的高本征电导率。但是,开发具有高本征电导率和高自旋基态的n型共轭聚合物仍面临重要挑战。由于缺乏相应的材料设计策略,高本征电导率的n型共轭聚合物鲜有报道。

近日,华南理工大学黄飞和刘春晨等人设计合成了一个强缺电子醌式单元,并将其用于构筑n型共轭聚合物,实现了高达1.04 S cm-1的本征电导率。相关研究论文发表在Angewandte Chemie International Edition期刊上,题为“An n-Type Open-Shell Conjugated Polymer with High-Spin Ground-State and High Intrinsic Electrical Conductivity(10.1002/anie.202402375)”。作者开发了一个新型醌式缺电子单元BFDO-Br,并将其用于合成了两个受体-受体(A-A)型共轭聚合物,命名为DPP-BFDO-Th和DPP-BFDO。研究表明,两个聚合物均具有平面的聚合物骨架和较低的最低未占分子轨道(LUMO)能级(<-4.0 eV)。与DPP-BFDO-Th相比,DPP-BFDO减少了BFDO两侧的噻吩单元,其LUMO能级可以低至-4.63 eV,光学带隙为-0.53 eV。密度泛函理论(DFT)计算、电子顺磁共振(EPR)和超导量子干涉装置(SQUID)等测试结果表明DPP-BFDO具有高自旋基态。有机薄膜晶体管(OTFTs)器件测试结果表明,DPP-BFDO-Th具有半导体性质,其电子和空穴迁移率分别为0.38 和0.50 cm2 V−1 s−1,而DPP-BFDO则表现出导体的特征。通过有机热电器件测试发现,DPP-BFDO在未掺杂的情况下即可表现出1.04 S cm-1的高电导率和12.59 μW m−1 K−2的功率因子(PF)。N-DMBI掺杂后,电导率最高可以提升至65.68 S cm-1。

作者还通过X射线光电子能谱(XPS)对DPP-BFDO的自掺杂机理进行了研究。XPS结果中观察到的带正电的自由基阳离子(O+)表明DPP-BFDO是通过分子间的电荷转移进行自掺杂,从而提高了聚合物的自由载流子浓度。在高载流子浓度与平面准线性的聚合物骨架共同作用下,DPP-BFDO实现了高的本征电导率。

总结:该研究通过醌式BFDO单元合成了具有高本征电导率的n型聚合物,并讨论了聚合物自掺杂的潜在机制,证明了缺电子醌式单元在构建具有高自旋基态和高本征导电率的n型导电聚合物方面的巨大潜力,为高性能n型导电聚合物的合成提出了新的设计思路。

来源:高分子科学前沿

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