您聽說過可折疊智能手機(jī)嗎?卷成盒子的柔性電視屏幕怎么樣?還是只有幾毫米厚的超薄“墻紙”電視?

具有可折疊，可彎曲，柔性和超薄電子產(chǎn)品的未來正迅速成為我們的禮物。負(fù)責(zé)這些消費(fèi)品的材料通常是導(dǎo)電的聚合物(塑料)。為了更好地理解這種有前途的物質(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 -并可能揭示其他方法無法實(shí)現(xiàn)的行為?，F(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。

科學(xué)家今天在“物理化學(xué)雜志” C中報(bào)道了他們的結(jié)果。

這項(xiàng)工作是NIST對(duì)開發(fā)測量工具以研究用于各種電子傳輸?shù)男路f材料(從可彎曲生物傳感器到移動(dòng)電話和太陽能電池)的最新貢獻(xiàn)。

NIST研究化學(xué)家，美國國家研究委員會(huì)(National Research Council)博士后研究員Tim Magnanelli表示：“柔性顯示器和智能手機(jī)的市場正在增長，并將其保持在更小，更靈活，更容易批量生產(chǎn)的水平?！昂喕妼?dǎo)率測試過程對(duì)于僅想知道的行業(yè)研究人員而言可能是非常有價(jià)值的，”我們是否經(jīng)過正確的修改會(huì)朝著正確的方向前進(jìn)?這會(huì)使材料更好嗎?””

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)算機(jī))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(dòng)。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)研究并廣泛使用了塑料，但是導(dǎo)電塑料才剛剛開始被用于主流商業(yè)電子產(chǎn)品。它們?cè)趯?dǎo)電方面往往效率不如硅，這意味著電荷載流子在材料中的移動(dòng)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(huì)存在缺陷，從而改變其測量的電導(dǎo)率。對(duì)每個(gè)樣品施加接觸也需要時(shí)間，從而延長了測試過程，并有可能阻止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，他用極化太赫茲(THz)輻射照射樣品，該輻射的波長遠(yuǎn)大于人眼在遠(yuǎn)紅外到微波范圍內(nèi)的可見度。

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(duì)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(dòng)，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(duì)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(gè)稱為PCDTPT，是相對(duì)較新的。它的鏈條由兩個(gè)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(gè)分子是“供體”，它吸收光并產(chǎn)生電荷載流子。另一個(gè)分子是一個(gè)“受體”，它吸引電荷載流子，促使它們沿著鏈和樣品周圍運(yùn)動(dòng)。

在這項(xiàng)工作中測試的第二種聚合物，稱為P3HT，被用于比較，因?yàn)橐呀?jīng)對(duì)其進(jìn)行了更徹底的研究。它僅包含一個(gè)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)電性降低約三個(gè)數(shù)量級(jí)，而P3HT的導(dǎo)電性降低約四個(gè)數(shù)量級(jí)。

Heilweil和Magnanelli首先以納米膜的形式對(duì)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(duì)比檢查PCDTPT薄膜的導(dǎo)電特性，即沿線與跨線進(jìn)行對(duì)比。

然后，他們將這兩個(gè)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，”海爾威爾說?！拔覀円郧皬奈丛谄渌魏尉酆衔镏锌吹竭^這種行為?！?/span>

由于PCDTPT分子在液體樣品中彼此更隔離，因此該發(fā)現(xiàn)對(duì)研究人員意味著PCDTPT中的電導(dǎo)率發(fā)生在單個(gè)聚合物鏈之內(nèi)和沿著單個(gè)聚合物鏈(即，在單個(gè)膠粘蠕蟲中)，而不是在聚合物鏈之間(即，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?！?/span>

制備樣品的NIST物理學(xué)家李·里希特(Lee Richter)和客座研究員塞巴斯蒂安·恩格曼(Sebastian Engmann)一直在通過接觸來以常規(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“不僅要考慮放置觸點(diǎn)的表面上發(fā)生了什么，而且要遍歷整個(gè)層，從而更進(jìn)一步”。

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?！?“天空是極限。”

盡管PCDTPT或P3HT本身都不會(huì)對(duì)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(huì)向研究人員表明以前沒有興趣的材料可以比任何人意識(shí)到的要好得多。

Heilweil說：“預(yù)測可能是，即使我們?nèi)栽诹私膺@些聚合物的表現(xiàn)方面仍處于起步階段，但我們可能會(huì)達(dá)到一個(gè)很好的水平，甚至可以與硅競爭。” “這是一個(gè)遠(yuǎn)景，但很有可能。”

來源：攜手健康網(wǎng)