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    具有可折疊、可彎曲、柔性和超薄電子產(chǎn)品的未來正迅速進(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)，美國國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）的科學(xué)家開發(fā)了一種技術(shù)，該技術(shù)使用光來快速而準(zhǔn)確地測試材料的電導(dǎo)率 ，還可以解釋其他方法無法解釋的行為。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過的行為。
    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對開發(fā)測量工具的研究的最新貢獻(xiàn)，該測量工具用于研究可彎曲生物傳感器、手機(jī)和太陽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，美國國家研究委員會（National Research Council）博士后研究員Tim Magnanelli說：“柔性顯示器和智能手機(jī)的市場正在增長，使產(chǎn)品體積更小，更靈活，更容易批量生產(chǎn)。簡化電導(dǎo)率測試過程對于只想知道的行業(yè)研究人員來說可能是非常有價(jià)值的”。
    導(dǎo)電塑料
    大多數(shù)消費(fèi)類電器（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。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)以來就已經(jīng)研究并廣泛使用塑料，但是導(dǎo)電塑料才剛剛開始用于主流商業(yè)電子產(chǎn)品。它們在傳導(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，材料表面仍會存在缺陷，從而改變其測量的電導(dǎo)率。對每個樣品施加接觸也需要時(shí)間，從而延長了測試過程，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測量依賴兩種光的定向電導(dǎo)率。首先，他使用可見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，該波長的波長比人眼所見要長得多，在遠(yuǎn)紅外至微波范圍內(nèi)。
    與可見光不同，太赫茲光甚至可以穿透不透明的材料，例如相對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，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材料。
驚喜發(fā)現(xiàn)
    在最新研究中，Heilweil和Magnanelli首次對兩種導(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^的簡單聚合物，因此被選中。第一個稱為PCDTPT，是相對較新的。它的鏈條由兩個不同的分子組成，這些分子首尾相連，并像橡皮糖蠕蟲上的顏色一樣交替變化。鏈中的一個分子是“供體”，它吸收光并產(chǎn)生電荷載流子。另一個分子是“受體”，它吸引電荷載流子，使它們沿著鏈和樣品周圍運(yùn)動。
    在這項(xiàng)工作中測試的第二種聚合物稱為P3HT，用于比較，因?yàn)橐呀?jīng)對其進(jìn)行了更徹底的研究。它僅包含一個重復(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)電性降低了約三個數(shù)量級，而P3HT的導(dǎo)電性降低了約四個數(shù)量級。
    Heilweil和Magnanelli首先以納米膜的形式對這兩種物質(zhì)進(jìn)行了測試-本質(zhì)上是薄而固體的樣品。他們的目的是對比沿線與跨線進(jìn)行檢查時(shí)，對比PCDTPT膜的導(dǎo)電性能。
    然后，他們將這兩個分子懸浮在不導(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溶液沒有顯示出可測量的電導(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。“我們以前從未在其他任何聚合物中看到過這種行為。”
    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)對研究人員意味著PCDTPT中的電導(dǎo)率發(fā)生在單個聚合物鏈之內(nèi)和沿著單個聚合物鏈，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：“我們無法使用傳統(tǒng)的基于接觸的方法來發(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一直通過施加接觸以常規(guī)方式測試定向聚合物材料。Magnanelli說，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)該考慮整個層”。
    展望未來，Heilweil和Magnanelli希望探索類似的市售聚合物以及Richter獲得的其他聚合物的性能。Magnanelli說，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本身都不大可能對大型消費(fèi)電子設(shè)備特別有用，但Heilweil強(qiáng)調(diào)指出，通過找到設(shè)計(jì)，定向和測量材料特性的更好的新方法，提出正確的問題可能會向研究人員表明以前沒有興趣的材料可以比任何人意識到的要好得多。
    Heilweil說：“即使我們在了解這些聚合物的表現(xiàn)方面還處于起步階段，但我們可能會達(dá)到一個很好的水平，甚至可以與硅競爭。這是一個遠(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》。