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自从掺杂聚乙炔的开创性工作以来，具有高导电性和溶液加工性的导电聚合物（CPs）取得了巨大的进步，从而创造了“有机合成金属”的新领域。已经实现了各种高性能 CP，这使得多种有机电子器件的应用成为可能。然而，大多数CP表现出空穴主导（p型）传输行为，而n型类似物的发展远远落后，很少表现出金属态，通常受到低掺杂效率和环境不稳定性的限制。
2022年9月7日，华南理工大学黄飞教授、曹镛院士、马於光院士和北京大学裴坚教授、南方科技大学郭旭岗教授等合作在Nature 在线发表题为“A solution-processed n-type conducting polymer with ultrahigh conductivity”的研究论文，该研究提出了一种容易合成的高导电 n 型聚合物（聚苯二呋喃二酮）(PBFDO)。
该反应结合了氧化聚合和原位还原 n 掺杂，显著提高了掺杂效率，并且每个重复单元可以实现几乎 0.9 个电荷的掺杂水平。所得聚合物表现出超过 2000 S cm−1的突破性电导率，具有出色的稳定性和出乎意料的溶液加工性，无需额外的侧链或表面活性剂。此外，对 PBFDO 的详细研究揭示了相干电荷传输特性和金属态的存在。进一步证明了电化学晶体管和热电发电机的基准性能，从而为 n 型 CP 在有机电子学中的应用铺平了道路。
为了实现高导电的n型导电聚合物（n-CPs），应该同时获得高效的电子传输和高载流子浓度。对于第一个方面，具有扩展共轭框架的大而刚性的主链是优选的，这使得（双）极化子的轻松离域和链内载流子传输成为可能。然而，需要使用绝缘侧链或表面活性剂进行功能化以确保此类聚合物的溶液加工性，这将对导电性产生不利影响。对于第二个方面，掺杂是增加载流子浓度的常用方法。不幸的是，大多数 n-CP 的掺杂效率非常低（通常约为 10%）。
已经付出了巨大的努力来提高n型掺杂效率。例如，合成了具有低位最低未占分子轨道 (LUMO) 能级的共轭聚合物，热力学促进了电子从掺杂剂到聚合物的转移，并增强了 n 掺杂状态下的空气稳定性。此外，已经开发了各种空气稳定的 n 型掺杂剂来克服对氧的脆弱性，从而确保在多种聚合物中进行 n 型掺杂，主要包括有机氢化物、有机金属、有机自由基二聚体和一价/多价阴离子。
文章部分结果展示（图源自Nature ）
此外，包括掺杂剂/主体混溶性调整和过渡金属催化掺杂在内的掺杂工艺优化进一步提高了 n 型掺杂效率。迄今为止，已经实现了具有里程碑电导率达到 100 S cm−1 的 n-CP。然而，大多数高性能 n-CPs 具有复杂的化学结构，需要繁琐的掺杂程序，涉及多个合成步骤和无氧条件，限制了从研究到大规模商业生产的技术过渡。
目前，要实现与 p 型 CP 相媲美的千级电导率和金属态的 n-CP 仍然具有挑战性。这需要在 n-CP 的发展方面取得突破。该研究在这里展示了一种溶液加工的无侧链 n-CP 聚苯二呋喃二酮 (PBFDO)，其突破性电导率达到 2000 S cm−1 。此外，对 PBFDO 的详细研究揭示了相干电荷传输特性和金属态的存在。进一步证明了电化学晶体管和热电发电机的基准性能，从而为 n 型 CP 在有机电子学中的应用铺平了道路。
参考消息：
https://www.nature.com/articles/s41586-022-05295-8
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