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《Nature》重磅:突破常规,发现一种特别的导电高分子!

 材料科学网 2022-10-30 发布于江西

手机等电子设备已成为我们生活中不可或缺的东西,导电材料则是这类设备中非常重要的一部分。导电有机材料(如掺杂有机聚合物、分子导体和新兴配位聚合物)支撑着从显示到柔性电子等各种技术。要实现传统绝缘有机材料的高导电性,就必须通过化学掺杂来调整其电子结构。此外,即使是本质上导电的有机材料,如单组分分子导体,也需要结晶性来实现金属行为。然而,导电聚合物通常是无定形的以获得耐久性和可加工性。使用分子设计在未掺杂的非晶材料中产生高导电性将在许多应用中实现可调和鲁棒的导电性,但还没有发现在无序时仍能保持高导电性的有机材料

在此,来自美国芝加哥大学的John S. Anderson等研究者,报道了一种非晶配位聚合物,四硫富瓦烯四硫纶镍,具有显著的高电子导电性(高达1200 S/cm)和内在的玻璃-金属行为。理论表明,这些特性是通过对结构扰动具有鲁棒性的分子重叠实现的。这一不寻常的特性导致高电导率,在潮湿空气中可稳定数pH值0–14,温度高达140 °C这些发现表明,即使在高度无序的材料中分子设计也可以实现金属导电性关论文以题为“Intrinsic glassy-metallic transport in an amorphous coordination polymer”发表在Nature上。

论文链接:

https://www./articles/s41586-022-05261-4

在玻璃金属中,金属行为(经典地要求周期性产生定义明确的带结构)与几何无序之间的关系仍然不清楚。富电子和氧化还原活性的四硫硫黄烯(TTF)基元,在导电材料中作为分子构建块具有显著的特点。将硫代基团附加到TTF上生成四硫富瓦烯四硫纶(TTFtt),可以形成扩展配位聚合物,将TTF基序与电子络合物过渡金属二硫代烯结合在一起。尽管这些材料的前景已得到认可,但由于合成方面的挑战,它们的结构、纯度、组成及其性能尚不明确最近,研究者发现了一系列有帽TTFtt化合物的氧化还原同源物的合成,以及它们对第10组金属的易跨金属作用。

在此,研究者报道了这种合成策略使材料NiTTFtt分离高纯度的非晶态粉末。尽管它的无序结构,NiTTFtt具有显著的电导率,在室温下高达1200 S cm−1,以及玻璃-金属电子行为。理论表明,这些特性是由对结构扰动具有鲁棒性的强分子重叠所实现的。这种不同寻常的结构和电子特征导致其导电性良好,对空气、水、酸碱和高达140°C的温度都很稳定。这些结果表明,即使在完全无序的材料中,分子设计也可以使金属导电,提出了无序材料中电荷传输机制的基本问题,并表明了本质金属有机材料令人兴奋的新应用。

图1 NiTTFtt的合成与结构。

图2 非晶态NiTTFtt的物理性质。

图3 NiTTFtt的理论分析。
图4 NiTTFtt的热和有氧稳定性。

有机导体是一类极为重要的材料。在通常绝缘的有机材料中实现导电性通常需要通过掺杂优化其电子结构,通过结晶度优化其几何结构。然而,对掺杂和结晶度的要求限制了成分和稳定性。在这里,研究者报道了一种不寻常的新材料,NiTTFtt,它是结构上的非晶,排除了经典的带结构。然而,NiTTFtt的详细表征揭示了高导电性和金属特性。不管确切的机理如何,NiTTFtt的金属性质和无序提供了显著的热和氧稳定的导电性。这些结果表明,使用具有强重叠和随后的强电子离域的分子单位,甚至在非晶材料中可以获得金属性质(文:水生)

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