科學家成功研發超薄導電聚合物，效能媲美金屬！

一個研究團隊開發出了一種革命性的二維聚苯胺（2DPANI）晶體，成功克服了聚合物在導電性方面的重大限制。其獨特的多層結構能夠實現類似金屬的電荷傳輸，為電子學和材料科學領域的新應用奠定了基礎。

一個國際研究團隊成功製造出多層二維聚苯胺（2DPANI）晶體，展現出卓越的導電性，並具備類似金屬般傳輸電荷的獨特能力。他們的研究成果於2月5日發表在《自然》期刊上。

導電聚合物，如聚苯胺、聚噻吩和聚吡咯等，因其導電性而備受重視，是傳統半導體和金屬的潛力替代品。半導體是一種導電性介於導體和絕緣體之間的材料，是現代電子技術不可或缺的部分。它們通常是結晶固體，最常見的是矽，被廣泛用於製造電子元件，如電晶體和二極體。半導體的獨特性在於其導電性可以透過摻雜（向材料中新增雜質以改變其電學性質）來改變和控制，這一特性使其成為積體電路和微晶片的基礎，為從電腦、智慧型手機到先進醫療裝置和可再生能源技術等各種裝置提供動力。半導體的特性在各種電子、光子和量子裝置的發展中也至關重要。而導電聚合物具有重量輕、可撓性強和成本效益高等優點，在各種科技應用中具有很大的吸引力。

儘管導電聚合物具有巨大的潛力，但一直以來，實現高效的電荷傳輸，尤其是在聚合物鏈之間，是一個重大挑戰。這一限制制約了它們的整體效能，也阻礙了它們在實際應用中的推廣。

為應對這一挑戰，中國科學院寧波材料技術與工程研究所（NIMTE）、德累斯頓工業大學、馬克斯普朗克微結構物理研究所和CIC nanoGUNE BRTA的研究人員，利用水錶面的陰離子表面活性劑單層，透過苯胺的拓撲定向二維聚合反應，開發出一種新型的2DPANI晶體。

這種2DPANI晶體的疇尺寸為130 - 160平方微米（μm²），厚度從數十到數百奈米不等。它具有柱狀π陣列，層間間距為3.59埃（Å），以及菱面體晶格，這是一種由相互交織的聚苯胺鏈形成的特殊晶體結構。透過電子自旋共振光譜和第一性原理計算證實，這種結構有利於強面內共軛和層間電子耦合。

合成的導電聚合物呈現出德魯德型導電性，外推直流導電率約為200 S/cm。同時還觀察到各向異性的電荷傳輸，面外和麵內導電率分別約為7 S/cm和16 S/cm。值得注意的是，垂直裝置在較低溫度下導電性增加，這是金屬面外傳輸的特徵。

這項導電聚合物研究的進展解決了因結構有序性和電子耦合不足導致的電荷傳輸受限問題。該研究還為三維金屬導電性提供了新的見解，為電極、電磁遮蔽和感測器的發展開闢了新途徑。

參考文獻：Tao Zhang, Shu Chen, Petko St. Petkov, Peng Zhang, Haoyuan Qi, Nguyen Ngan Nguyen, Wenjie Zhang, Jiho Yoon, Peining Li, Thomas Brumme, Alexey Alfonsov, Zhongquan Liao, Mike Hambsch, Shunqi Xu, Lars Mester, Vladislav Kataev, Bernd Büchner, Stefan C. B. Mannsfeld, Ehrenfried Zschech, Stuart S. P. Parkin, Ute Kaiser, Thomas Heine, Renhao Dong, Rainer Hillenbrand and Xinliang Feng所著的『Two-dimensional polyaniline crystal with metallic out-of-plane conductivity』，發表於2025年2月5日的《自然》期刊，DOI: 10.1038/s41586 - 024 - 08387 - 9。該研究得到了中國國家自然科學基金和浙江省傑出青年基金等機構的支援。