具有可折疊、可彎曲、柔性和超薄電子產(chǎn)品的未來(lái)正迅速進(jìn)入我們的生活。這些消費(fèi)品所使用的材料通常是導(dǎo)電的聚合物（塑料）。為了更好地理解這一有前途的物質(zhì)，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)家開(kāi)發(fā)了一種技術(shù)，該技術(shù)使用光來(lái)快速而準(zhǔn)確地測(cè)試材料的電導(dǎo)率 ，還可以解釋其他方法無(wú)法解釋的行為。現(xiàn)在，NIST團(tuán)隊(duì)已經(jīng)證明了這種基于光的方法的進(jìn)一步用途，該方法可用于揭示一種聚合物中從未見(jiàn)過(guò)的行為。
研究人員近日在“Journal of Physical Chemistry C” 上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。
這項(xiàng)工作是NIST對(duì)開(kāi)發(fā)測(cè)量工具的研究的最新貢獻(xiàn)，該測(cè)量工具用于研究可彎曲生物傳感器、手機(jī)和太陽(yáng)能電池等各種電子傳輸中使用的新型材料。
NIST研究化學(xué)家，美國(guó)國(guó)家研究委員會(huì)（National Research Council）博士后研究員Tim Magnanelli說(shuō)：“柔性顯示器和智能手機(jī)的市場(chǎng)正在增長(zhǎng)，使產(chǎn)品體積更小，更靈活，更容易批量生產(chǎn)。簡(jiǎn)化電導(dǎo)率測(cè)試過(guò)程對(duì)于只想知道的行業(yè)研究人員來(lái)說(shuō)可能是非常有價(jià)值的”。
導(dǎo)電塑料
大多數(shù)消費(fèi)類(lèi)電器（例如筆記本電腦，甚至洗衣機(jī)中的計(jì)算單元）都基于硅技術(shù)。硅是控制電導(dǎo)通的極佳材料，因?yàn)椤半姾奢d流子”能夠輕松地在硅晶體中移動(dòng)。負(fù)載流子是電子，正載流子稱為“空穴”，是缺少電子的地方。
盡管自19世紀(jì)以來(lái)就已經(jīng)研究并廣泛使用塑料，但是導(dǎo)電塑料才剛剛開(kāi)始用于主流商業(yè)電子產(chǎn)品。它們?cè)趥鲗?dǎo)電流方面的效率往往不如硅，這意味著電荷載流子在材料內(nèi)的移動(dòng)通常較小。但是，塑料不僅在硅剛性的地方具有撓性，而且更輕，更可定制，并且通常更便宜且更容易制造。它們甚至可以是透明的。
測(cè)試材料導(dǎo)電性的典型方法是在其上焊接觸點(diǎn)。但是，盡管接觸良好地附著在硅上，但并非總是能夠與聚合物建立良好的連接。即使連接良好，材料表面仍會(huì)存在缺陷，從而改變其測(cè)量的電導(dǎo)率。對(duì)每個(gè)樣品施加接觸也需要時(shí)間，從而延長(zhǎng)了測(cè)試過(guò)程，并可能影響制造商將樣品用作設(shè)備組件。
為了解決這些問(wèn)題，幾年前，NIST研究化學(xué)家Ted Heilweil設(shè)計(jì)了一種快速的非接觸式方法來(lái)測(cè)量依賴兩種光的定向電導(dǎo)率。首先，他使用可見(jiàn)光的超短脈沖在樣品中產(chǎn)生電子和空穴。然后，他用偏振太赫茲（THz）輻射照亮了樣品，該波長(zhǎng)的波長(zhǎng)比人眼所見(jiàn)要長(zhǎng)得多，在遠(yuǎn)紅外至微波范圍內(nèi)。
與可見(jiàn)光不同，太赫茲光甚至可以穿透不透明的材料，例如相對(duì)較厚的聚合物樣品和固體半導(dǎo)體。多少光穿透樣品取決于多少電荷載流子自由移動(dòng)，表明其導(dǎo)電性。這種新方法還揭示了電荷是否更容易在特定方向上穿過(guò)材料。
驚喜發(fā)現(xiàn)
在最新研究中，Heilweil和Magnanelli首次對(duì)兩種導(dǎo)電聚合物使用了THz方法，這是因?yàn)樗鼈兪且子谘芯亢捅容^的簡(jiǎn)單聚合物，因此被選中。第一個(gè)稱為PCDTPT，是相對(duì)較新的。它的鏈條由兩個(gè)不同的分子組成，這些分子首尾相連，并像橡皮糖蠕蟲(chóng)上的顏色一樣交替變化。鏈中的一個(gè)分子是“供體”，它吸收光并產(chǎn)生電荷載流子。另一個(gè)分子是“受體”，它吸引電荷載流子，使它們沿著鏈和樣品周?chē)\(yùn)動(dòng)。
在這項(xiàng)工作中測(cè)試的第二種聚合物稱為P3HT，用于比較，因?yàn)橐呀?jīng)對(duì)其進(jìn)行了更徹底的研究。它僅包含一個(gè)重復(fù)分子，并且具有比PCDTPT更隨機(jī)，更不規(guī)則的結(jié)構(gòu)。與硅相比，PCDTPT的導(dǎo)電性降低了約三個(gè)數(shù)量級(jí)，而P3HT的導(dǎo)電性降低了約四個(gè)數(shù)量級(jí)。
Heilweil和Magnanelli首先以納米膜的形式對(duì)這兩種物質(zhì)進(jìn)行了測(cè)試-本質(zhì)上是薄而固體的樣品。他們的目的是對(duì)比沿線與跨線進(jìn)行檢查時(shí)，對(duì)比PCDTPT膜的導(dǎo)電性能。
然后，他們將這兩個(gè)分子懸浮在不導(dǎo)電的液體中，阻止了它們之間的電子相互作用和通訊。正如先前實(shí)驗(yàn)所預(yù)期的那樣，P3HT溶液沒(méi)有顯示出可測(cè)量的電導(dǎo)率。
然而，令他們驚訝的是，PCDTPT解決方案確實(shí)顯示出導(dǎo)電性。不僅如此，它在溶液中的電導(dǎo)率與固體形式一樣多。
“真是太神奇了，” Heilweil說(shuō)。“我們以前從未在其他任何聚合物中看到過(guò)這種行為。”
由于PCDTPT分子在液體樣品中彼此之間更分離，因此該發(fā)現(xiàn)對(duì)研究人員意味著PCDTPT中的電導(dǎo)率發(fā)生在單個(gè)聚合物鏈之內(nèi)和沿著單個(gè)聚合物鏈，而不是在聚合物鏈之間，這不同于大多數(shù)科學(xué)家以前的想法。
Magnanelli說(shuō)：“我們無(wú)法使用傳統(tǒng)的基于接觸的方法來(lái)發(fā)現(xiàn)此信息。”
制備樣品的NIST物理學(xué)家Lee Richter和客座研究員Sebastian Engmann一直通過(guò)施加接觸以常規(guī)方式測(cè)試定向聚合物材料。Magnanelli說(shuō)，使用太赫茲方法使研究人員“不僅要考慮放置接觸的表面上發(fā)生了什么，還應(yīng)該考慮整個(gè)層”。
展望未來(lái)，Heilweil和Magnanelli希望探索類(lèi)似的市售聚合物以及Richter獲得的其他聚合物的性能。Magnanelli說(shuō)，當(dāng)懸浮在液體中時(shí)，PCDTPT令人驚訝的電導(dǎo)率“可能是冰山的一角，因?yàn)橐苍S另一種聚合物的電導(dǎo)率也比預(yù)期的要好得多。”
盡管PCDTPT或P3HT本身都不大可能對(duì)大型消費(fèi)電子設(shè)備特別有用，但Heilweil強(qiáng)調(diào)指出，通過(guò)找到設(shè)計(jì)，定向和測(cè)量材料特性的更好的新方法，提出正確的問(wèn)題可能會(huì)向研究人員表明以前沒(méi)有興趣的材料可以比任何人意識(shí)到的要好得多。
Heilweil說(shuō)：“即使我們?cè)诹私膺@些聚合物的表現(xiàn)方面還處于起步階段，但我們可能會(huì)達(dá)到一個(gè)很好的水平，甚至可以與硅競(jìng)爭(zhēng)。這是一個(gè)遠(yuǎn)景，但很有可能實(shí)現(xiàn)。”
研究發(fā)表論文標(biāo)題為《Polarization Dependence of Charge Conduction in Conjugated Polymer Films Investigated with Time-Resolved Terahertz Spectroscopy》。
