南科大郭旭崗教授在《自然材料》發表導電聚合物研究應用評論

在導電聚合物獲得諾貝爾化學獎20周年之際，南方科技大學材料科學與工程系教授郭旭崗聯合美國Flexterra公司首席技術官Antonio Facchetti應《自然材料》（Nature Materials）約稿撰寫評論文章，分別介紹了導電聚合物的學術研究和商業應用，同時《自然材料》就他們的評論文章發表題為「Conducting polymers forward」的社論。

早期研究

在一次聚合實驗中，日本科學家白川英樹（Hideki Shirakawa）教授的一位學生誤將高於正常當量1000倍的催化劑加入到乙炔的聚合反應中，得到了一種亮銀色聚合物的反式聚乙炔薄膜(圖 1)。大約與白川英樹進行聚乙炔薄膜研究的同時，美國賓夕法尼亞大學化學系的麥克迪爾米德(Alan G. MacDiarmid)教授從1973年開始，也一直在從事著不同尋常的導電無機聚合物(SN)x的研究。1975年，麥克迪爾米德報告了他的研究工作，並展示出他們製備的無機聚合物(SN)x的金黃色薄膜。在會議休息期間，白川英樹與麥克迪爾米德交流，並仔細觀看了麥克迪爾米德的樣品，同時也將自己的銀白色聚乙炔薄膜樣品展示給麥克迪爾米德，兩位素不相識的化學家都被對方的樣品所迷住，麥克迪爾米德立即邀請白川英樹去美國賓夕法尼亞大學與他和物理系教授黑格(Alan J. Heeger)合作研究。1976年，白川英樹應麥克迪爾米德的邀請赴美國賓夕法尼亞大學與黑格、麥克迪爾米德合作進行聚乙炔膜電導性的改進研究。他們通過碘摻雜，導電性增加了一千萬倍（圖 1），實現了世界上第一個全有機導電聚合物——碘摻雜聚乙炔。該聚合物具有接近金屬的導電性，研究成果1977年發表，震驚世界。

圖 1. 反式聚乙炔的(a)化學結構和(b)摻雜後導電率取得了一千萬倍的提升，從而實現了絕緣體到導體的轉變。

三位科學家取得的突破性成就從根本上改變了人們對有機聚合物的看法，從絕緣「塑料」到導電功能材料，開創了有機電子學領域。23年後，他們三人因發現導電聚合物而獲得了2000年諾貝爾化學獎。在他們獲得諾貝爾獎後的20年，隨著更多材料化學家、應用物理學家和電子工程師的加入這一研究，導電聚合物和有機電子領域經歷了前所未有的爆發式發展，產生了許多革命性的科研成果，並讓有機電子器件走進了千家萬戶，如現在廣為使用的OLED（有機發光二極體）手機和電視。

圖 2. 導電聚合物的摻雜、化學結構和合成.

如圖 2所示，在發現聚乙炔之前，導電聚合物的原型是無機材料聚氮化硫(SN)x，這種材料表現出固有的(非摻雜)金屬電導率。在(SN)x中，所有鍵的長度相等，這意味著沿聚合物主鏈的鍵長交替值(BLA)為零，這是實現高導電性的關鍵特徵。然而，當鏈的BLA≠0時，聚乙炔的結構在能量上更穩定，從而在價帶的頂部和導帶的底部之間具有能隙（Eg），從而有機聚合物在非摻雜條件下表現出絕緣特性。通過摻雜可以減少聚合物的能隙並大幅度提高載流子密度，實現不同程度的半導體行為，甚至導體特性。有機化學家很快意識到，使用（雜）芳香環可以設計具有可調整的(半)導電特性(CP)的未摻雜聚合物。因此，從1980年代發現重要的CP（例如聚苯胺和聚吡咯）開始，到1990年代，(半)導電聚合物的種類實現了爆發式的發展，並可以通過不同的化學合成策略實現了各種結構。

在應用和商業化方面的努力

CP的應用取決於它們的加工特性、摻雜（電荷密度）水平、氧化還原特性以及電荷傳輸是純電子的還是混合的離子/電子類型。在電化學合成聚苯胺或聚吡咯中，物體可以被塗上一層高導電聚合物薄膜；這為探索將CP用作電池電極材料和抗靜電/電磁屏蔽開闢了道路。雖然將其用作抗靜電/電磁屏蔽已實現了廣泛的商業化（CP市場在2018年達到約9億美元），但是基於CP的商用電池並不成功，因為CP的成本很高，要想與無機材料比較，CP的成本需要小於50美元/kg。

圖 3. 導電聚合物的應用.

CP更大商業市場的應用包括用於光伏模塊的有機太陽能電池，用於顯示器和邏輯電路的有機薄膜電晶體以及用於顯示器和照明的有機發光二極體(圖2所示)。此外，CP可作為新興鈣鈦礦太陽能電池中的空穴和電子傳輸層，儘管取得了很高的能量轉化效率，然而，這項年輕技術的商業前景仍有待進一步探索。

關於未來

通過三個相互關聯的研究努力，CP的領域將繼續快速發展，主要表現為：新的分子設計和化學合成，基礎研究以改進對材料的理解和發現新的現象，探索用於商業化的新領域或對現有領域深入挖掘。對於既有和新的CP，開發有效的合成方法至關重要。此外，避免有毒試劑和副產物的化學合成方法將增強可持續性發展並具有真正的成本優勢。進一步的進展將來自對單分子鏈和超分子水平的電荷傳輸的深入物理研究。此外，具有生物兼容性、優異機械柔韌性/可拉伸性的CP，對生物電子領域的應用至關重要。

圖 4. 導電聚合物的未來發展方向.

從三位諾貝爾獎獲得者的開創性發現到當今的研究，導電聚合物研究應用實現巨大的發展。20世紀的科學發現在21世紀發揚光大，科學家們相信，導電聚合物(包括聚合物半導體)將繼續成為材料科學的前沿領域，並擴展到其他學科和行業。

相關連結：

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0778-5.pdf

https://www.nature.com/articles/s41563-020-0792-7.pdf