mile米乐中国官方网站 通过氧化反应自然组装的分子聚集体

东京大学前沿科学研究生院、材料创新研究中心、国立材料科学研究所 (WPI-MANA)、日本科学技术振兴机构 (JST) PRESTO、米乐m6官方网站 (AIST)AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室（注 1）联合研究小组独创强氧化力自由基盐掺杂剂（注2）作用于聚合物半导体，它由两者组成共晶体（注3）我们发现结构是自发形成的，并成功开发出比传统聚合物具有更高结晶度和导电性的导电聚合物。

此研究成果发表在国际科学期刊《通讯材料”将于2020年4月21日版发布。这项研究是作为日本科学技术振兴机构（JST）战略基础研究推进计划（PRESTO）研究领域“超空间控制和创新功能创造”（研究主管：黑田和幸）和研究主题“通过分子植入创造超分子电子”（研究员：东京大学前沿科学研究生院材料科学系副教授渡边俊一郎）的一部分进行的。

[背景]

聚合物半导体作为下一代电子材料而备受关注，只需通过施加溶液和干燥即可形成薄膜。聚合物的高结晶度对于实现电子材料重要的高导电性能非常重要，并且已经对利用自组织（其中单个分子自发排列）进行了大量研究。聚合物通常具有像煮意大利面条一样的缠结结构，但众所周知，通过设计刚性骨架，可以形成规则排列的晶体结构（图）。

为了使用聚合物半导体作为导电材料，需要通过注入电荷的掺杂工艺来提高其电导率。通常采用将与高分子半导体发生氧化还原反应的掺杂剂分子导入到高分子膜中的方法（图（a））。此时，掺杂剂分子作为阴离子保留在聚合物膜内部，但由于掺杂剂分子随机排列，因此聚合物半导体的结晶度通常受到损害。因此，我们开发了一种在不破坏聚合物半导体晶体结构的情况下引入掺杂剂分子的方法（S Watanabe，等人，《自然》2019 年, https://wwwku-tokyoacjp/information/category/press/2856html）。然而，引入的掺杂剂分子的空间排列尚不清楚，并且掺杂剂分子的随机排列可能会限制导电性能。

[方法和结果]

这次，我们新开发了一种自由基盐掺杂剂，它的氧化能力比以前更强。当进行将聚合物半导体薄膜浸入溶液中的掺杂操作时，实现了非常高的掺杂量，每个聚合物的重复单元引入一个掺杂剂分子，并且X射线衍射图像中的特征强度图案消失。对这种强度图案的模拟表明，聚合物半导体和掺杂剂分子形成一对一的共晶结构，并且可以以约05纳米的精度确定聚合物晶体中掺杂剂分子的位置。普通聚合物半导体的晶体结构具有周期性的纳米级空隙，但在这次创建的共晶结构中，这些空隙被高密度的掺杂剂分子填充。人们认为，通过利用强氧化反应用掺杂剂分子填充聚合物中的间隙，使掺杂剂分子以均匀的密度和排列方式排列，就像拼图一样（图（b））。普通的聚合物薄膜通常具有无序结构，但我们这次创建的薄膜被发现具有高度取向的共晶结构，占据了薄膜的大部分。

这项研究在薄膜规模上证明了一种新现象，即密集填充到导电聚合物薄膜中的掺杂剂分子由于强氧化反应而自发排列。此外，此次开发的共晶导电聚合物具有高导电性，可与​​铂等贵金属相媲美。功函数（注4）此外，我们还能够通过优化掺杂剂分子种类来提高大气稳定性。

[未来展望]

众所周知，此类薄膜的电导率主要是源自共晶区域的金属电导率，但这项研究表明，可以通过设计微观共晶结构来控制宏观电导率。

由于可以容易地大面积地形成填充并排列有各种分子离子的聚合物半导体薄膜，因此预计未来作为各种功能性电子和离子材料的研究将会取得进展。

Yu Yamashita（东京大学前沿科学研究生院材料科学系特聘研究员/
　国立材料科学研究所、国际材料纳米结构中心（WPI-MANA）超分子组博士后研究员）
Junichi Takeya（东京大学前沿科学研究生院材料科学系教授/
国立材料科学研究所、国际纳米建筑中心 (WPI-MANA) MANA 首席研究员（交叉任命）/
合作研究组织材料创新研究中心（MIRC）特聘教授/
　米乐m6官方网站、产业技术综合研究所、东京大学、先进操作数测量技术开放创新实验室、客座研究员）
渡边俊一郎（东京大学前沿科学研究生院材料科学系副教授/
　米乐m6官方网站、产业技术综合研究所、东京大学、先进操作数测量技术开放创新实验室、客座研究员）

杂志名称：“通讯材料” （网络版：4月21日）
论文标题：通过氧化还原触发离子嵌入 π 共轭聚合物构建超分子共晶体
作者：Yu Yamashita、Junto Tsurumi、Tadanori Kurosawa、Kan Ueji、Yukina Tsuneda、Shinya Kohno、Hideto Kempe、Shohei Kumagai、Toshihiro Okamoto、Jun Takeya 和 Shun Watanabe*
DOI 号：101038/s43246-021-00148-9

（注 1）AIST/东京大学先进操作数测量技术开放创新实验室

AIST 和东京大学于 2016 年 6 月 1 日在东京大学柏校区建立的研究中心。我们通过结合彼此的种子技术，加强以“桥接”为目的的基础研究，构建产学官网络，开展利用尖端操作测量技术的生物功能材料、新材料、创新装置等的产业化和实际应用的研发。[返回来源]

(注2)自由基盐掺杂剂

由具有强氧化能力的自由基阳离子和补偿电荷的阴离子组成的盐称为自由基盐掺杂剂。这次，我们新合成了TBPA-TFSI（图（a））。一种称为幻蓝的氧化剂，也用于各种合成化学反应，是一种典型的自由基盐掺杂剂。[返回来源]

（注3）共晶

两个或多个分子存在于同一晶格中并通过氢键和分子间相互作用形成的复杂晶体。通过成为共晶，它可以表现出与原始纯物质不同的物理性质。[返回来源]

(注4)功函数

从物质表面除去一个电子所需的最小能量。[返回来源]