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2021年07月,课题组王晶同学CCS Chemistry文章接收
发布者: 王洪 | 2021-07-01 | 762

物极则反:掺杂浓度调节导电聚合物p型到n型的转变

 

西安交通大学王洪课题组利用常规的p型化学掺杂剂,在同一个导电高分子薄膜中不仅得到了较高p型电导率,也得到了较高的n型电导率。通过化学掺杂制备双极性导电高分子材料的研究,不仅可以缩短有机器件的制备流程,节省成本, 而且还能提高有机器件的性能。该研究也将促进人们对高分子中的导电机理进行新的探索。

无机材料可以通过掺杂获得双极性,比如:硅可以通过磷掺杂变为n型,通过硼掺杂变为p型,但是一个导电聚合物中通过化学掺杂的方法同时获得双极性仍然鲜有报道。有机导电高分子的极性取决于其结构,因而通常具有单一极性,即通常为p型材料或者n型材料。相对单极性导电高分子而言,极少数的导电高分子能在场效应晶体管器件中,在门电压的作用下显示空穴(p型)或者电子(n型)传输性能。由于分子结构决定了高分子易失去电子或者易得到电子,化学掺杂方法制备双极性高分子的报道非常少见,用同一个掺杂剂制备出双极性的高分子材料就更为少见。

西安交通大学王洪课题组报道了一种D-A类的导电高分子(DPPTTT), 并在不同的FeCl3的掺杂浓度下显示出p型和n型的电导率,其中p型电导率为130.6 S/cm, n型电导率为14.2 S/cm。p型和n型电导率均高于大多数的常规的D-A共聚物,从而使得该材料在有机器件,如:有机热电、有机二极管,等方面,具有广泛的应用前景。

图1

高的双极性电导率使得DPPTTT具有高的p型和n型热电性能。p型电导率和功率因子分别高达23.4 μW/m-K2,n型电导率和功率因子高达0.66 μW/m-K2 (如图一所示)。扫描电子显微镜(SEM)显示,薄膜形貌会影响其电导率,进一步提高掺杂剂浓度导致DPPTTT电导率减小,是因为聚合物链产生聚集,并且聚集体间的间隙随着掺杂浓度的增大而进一步增大,阻碍载流子传输,从而电导率降低。

图2

此文也研究了制得的n型材料的稳定性,在手套箱环境中电导率能维持一周左右,并且探索了湿度和氧含量对n型材料的热电性能的影响,氧含量和湿度较低的情况下制得的n型材料的塞贝克系数较高。阻抗测试表明制得的材料是以电荷传输为主导而不是离子传输。用得到的p型和n型材料制备的平面二极管的电流密度高达3 A/cm2。研究者认为该高分子中极性从p型到n型转变的原因主要是由于费米能级跨越导带(HOMO),有可能形成了新的HOMO,进一步的机理解释尚在进行之中。

综上所述,该工作通过FeCl3掺杂DPPTTT得到高双极性电导率的聚合物材料,对今后开发新型导电聚合物以及加深高分子导电机理的理解具有促进作用。该工作以research article 的形式发表在CCS Chemistry 2021年第十期中的“热电材料”特别专题。

文章详情:

P-Type Chemical Doping-Induced High Bipolar Electrical Conductivities in a Thermoelectric Donor–Acceptor Copolymer

Jing Wang, Yizhuo Wang, Qing Li, Zhanchao Li, Kuncai Li and Hong Wang*Cite this: CCS Chem. 2021, 3, 2482–2493

文章链接:https://doi.org/10.31635/ccschem.021.202101070