Прорыв в мире проводящих полимеров: учёные создали «невозможный» двумерный кристалл с металлической проводимостью

10.02.2025 12:24:00 | iXBT.com

Международная группа исследователей успешно синтезировала многослойный двумерный кристалл полианилина (2DPANI). Это достижение открывает новые горизонты в области проводящих полимеров.

Полианилин, наряду с другими проводящими полимерами, такими как политиофен и полипиррол, давно привлекает внимание учёных своей электропроводностью. Эти материалы обладают огромным потенциалом в качестве недорогой, лёгкой и гибкой альтернативы традиционным полупроводникам и металлам. Однако до сих пор существовала серьёзная проблема: эффективная передача заряда, особенно между полимерными цепями, что значительно ограничивало производительность и практическое применение проводящих полимеров.

Иллюстрация: нейросеть DALL-E

Команда учёных из Нинбоского института технологии и инженерии материалов (NIMTE) Китайской академии наук (CAS), Дрезденского технического университета, Института микроструктурной физики Макса Планка и CIC nanoGUNE BRTA решила эту проблему, разработав кристалл 2DPANI. Они использовали метод двумерной полимеризации анилина, направляемой топологией, с применением монослоя анионного поверхностно-активного вещества на поверхности воды.

Полученный кристалл 2DPANI имеет впечатляющие характеристики: размер составляет 130–160 квадратных микрометров (мкм²), а толщина варьируется от десятков до сотен нанометров. Особенностью кристалла является наличие колончатых π-массивов с межслойным расстоянием 3,59 ангстрем (Å) и ромбоэдрических решёток – особого типа кристаллической структуры, образованной переплетёнными цепями полианилина. Эта структура обеспечивает сильное внутриплоскостное сопряжение и межслойное электронное взаимодействие, что было подтверждено спектроскопией электронного спинового резонанса и расчётами из первых принципов.

Синтезированный проводящий полимер продемонстрировал проводимость друдевского типа (классическая модель электронной проводимости в металлах, которая особенно хорошо проявляется в определенных частотных диапазонах и позволяет описать многие электрические и оптические свойства металлических проводников) с экстраполированной проводимостью постоянного тока около 200 См/см. Также наблюдался анизотропный перенос заряда (явление, при котором электрическая проводимость материала зависит от направления протекания тока, играет важную роль в работе многих современных электронных устройств и материалов): проводимость вне плоскости составила около 7 См/см, а в плоскости – 16 См/см. Особенно примечательно, что вертикальные устройства показали увеличение проводимости при понижении температуры, что характерно для металлического переноса заряда вне плоскости.

Это достижение в исследовании проводящих полимеров решает проблему ограниченного переноса заряда, вызванную недостаточным структурным упорядочением и электронным взаимодействием. Исследование также даёт представление о трёхмерной металлической проводимости, открывая новые возможности для разработки электродов, электромагнитного экранирования и датчиков.

Подробнее