馮新亮院士Nature子刊：簡易制備大面積的準二維聚苯胺晶體薄膜

【引言】

形貌均勻、長程分子有序的導電聚合物薄膜的設計對于高性能有機電子器件的制備來說具有吸引力。聚苯胺由于具有出色的電學、磁學和光學性能而引起了強烈的興趣。然而，大面積的聚苯胺薄膜的制備，以及它的結晶性和厚度的控制，依然是一項挑戰，因為苯胺低聚物具有復雜的分子間相互作用。

【成果簡介】

德累斯頓工業大學歐洲科學院院士馮新亮教授（通訊作者）報道了采用氣-液界面和表面活性劑單分子層作為模板來簡便合成準二維聚苯胺晶體薄膜。它的橫向尺寸約為50 cm²，厚度可在2.6–30 nm內調節。它的電荷傳輸表現出各向異性，被鹽酸摻雜后橫向導電率高達160 S cm^?1。而且，它能監測低至30 ppb的氨氣和 10 ppm的揮發性有機化合物。這項工作表明準二維聚苯胺晶體薄膜在薄膜有機電子器件中具有應用前景。

【圖文導讀】

圖1.準二維聚苯胺膜的制備和反應機理

a.制備路線的示意圖

b.苯胺的氧化聚合的反應機理

c.氫鍵以及質子化的苯胺/低聚物陽離子和油烯基硫酸鈉的磺酸基之間的靜電相互作用的示意圖

圖2.準二維聚苯胺膜的形貌

a.SiO₂/Si晶圓上的準二維聚苯胺膜

b.準二維聚苯胺膜的光學顯微鏡圖像

c.無支撐的準二維聚苯胺膜

d.準二維聚苯胺膜的原子力顯微鏡圖像

圖3.準二維聚苯胺單晶的表征

a.沿著[001]軸向的選區電子衍射(SAED)圖像

b.沿著[001]軸向的像差校正高分辨率透射電鏡(AC-HRTEM)圖像

c.垂直于[001]軸向的SAED圖像

d.垂直于[001]軸向的AC-HRTEM圖像

e.準二維聚苯胺的分子結構

f.準二維聚苯胺的模擬原子結構

圖4.光學特性和導電性

a.準二維聚苯胺膜的厚度和反應時間的關系。插圖為反應時間分別為1天和7天的準二維聚苯胺膜的光學顯微鏡圖像

b.準二維聚苯胺膜在430nm處的吸光度和相應的透光率隨反應時間的變化情況

c.用不同濃度的鹽酸制備的準二維聚苯胺膜的紫外-可見-近紅外吸收光譜

d.用不同濃度的鹽酸制備的準二維聚苯胺膜和商業化石墨烯的I-V特性曲線

圖5.監測氨氣和揮發性有機化合物

a.用1M HCl制備的準二維聚苯胺膜對不同濃度的氨氣的響應(ΔR/R₀)?

b.準二維聚苯胺膜和其它聚苯胺傳感器的最低檢出限的對比

c.用0.02M HCl制備的準二維聚苯胺膜制成的傳感器對不同濃度的庚醛的響應(ΔR/R₀)?

d.不同的準二維聚苯胺膜制成的傳感器對不同濃度的庚醛的響應

【展望】

鑒于用于聚苯胺合成的氧化自由基聚合，也可用于其他導電聚合物的合成。該界面聚合方法有望用于二維聚吡咯、二維聚噻吩及其衍生二維聚合物晶體薄膜的構筑。

文獻鏈接：Engineering crystalline quasi-two-dimensional polyaniline thin film with enhanced electrical and chemiresistive sensing performances（Nat. Commun.，2019，DOI：10.1038/s41467-019-11921-3??）

本文由kv1004供稿。