冯新亮院士Nature子刊：简易制备大面积的准二维聚苯胺晶体薄膜

【引言】

形貌均匀、长程分子有序的导电聚合物薄膜的设计对于高性能有机电子器件的制备来说具有吸引力。聚苯胺由于具有出色的电学、磁学和光学性能而引起了强烈的兴趣。然而，大面积的聚苯胺薄膜的制备，以及它的结晶性和厚度的控制，依然是一项挑战，因为苯胺低聚物具有复杂的分子间相互作用。

【成果简介】

德累斯顿工业大学欧洲科学院院士冯新亮教授（通讯作者）报道了采用气-液界面和表面活性剂单分子层作为模板来简便合成准二维聚苯胺晶体薄膜。它的横向尺寸约为50 cm²，厚度可在2.6–30 nm内调节。它的电荷传输表现出各向异性，被盐酸掺杂后横向导电率高达160 S cm⁻¹。而且，它能监测低至30 ppb的氨气和 10 ppm的挥发性有机化合物。这项工作表明准二维聚苯胺晶体薄膜在薄膜有机电子器件中具有应用前景。

【图文导读】

图1.准二维聚苯胺膜的制备和反应机理

a.制备路线的示意图

b.苯胺的氧化聚合的反应机理

c.氢键以及质子化的苯胺/低聚物阳离子和油烯基硫酸钠的磺酸基之间的静电相互作用的示意图

图2.准二维聚苯胺膜的形貌

a.SiO₂/Si晶圆上的准二维聚苯胺膜

b.准二维聚苯胺膜的光学显微镜图像

c.无支撑的准二维聚苯胺膜

d.准二维聚苯胺膜的原子力显微镜图像

图3.准二维聚苯胺单晶的表征

a.沿着[001]轴向的选区电子衍射(SAED)图像

b.沿着[001]轴向的像差校正高分辨率透射电镜(AC-HRTEM)图像

c.垂直于[001]轴向的SAED图像

d.垂直于[001]轴向的AC-HRTEM图像

e.准二维聚苯胺的分子结构

f.准二维聚苯胺的模拟原子结构

图4.光学特性和导电性

a.准二维聚苯胺膜的厚度和反应时间的关系。插图为反应时间分别为1天和7天的准二维聚苯胺膜的光学显微镜图像

b.准二维聚苯胺膜在430nm处的吸光度和相应的透光率随反应时间的变化情况

c.用不同浓度的盐酸制备的准二维聚苯胺膜的紫外-可见-近红外吸收光谱

d.用不同浓度的盐酸制备的准二维聚苯胺膜和商业化石墨烯的I-V特性曲线

图5.监测氨气和挥发性有机化合物

a.用1M HCl制备的准二维聚苯胺膜对不同浓度的氨气的响应(ΔR/R₀) 

b.准二维聚苯胺膜和其它聚苯胺传感器的最低检出限的对比

c.用0.02M HCl制备的准二维聚苯胺膜制成的传感器对不同浓度的庚醛的响应(ΔR/R₀) 

d.不同的准二维聚苯胺膜制成的传感器对不同浓度的庚醛的响应

【展望】

鉴于用于聚苯胺合成的氧化自由基聚合，也可用于其他导电聚合物的合成。该界面聚合方法有望用于二维聚吡咯、二维聚噻吩及其衍生二维聚合物晶体薄膜的构筑。

文献链接：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。