自摻雜聚乙炔的開創性工作以來，具有高導電性和溶液可加工性的導電聚合物(CPs)取得了巨大的進展，從而開創了“有機合成金屬”的新領域。各種高性能的CPs已經實現，使多種有機電子器件的應用成為可能。

然而，大多數CPs表現出空穴主導(p型)輸運行為，而n型類似物的發展遠遠滯后，很少表現出金屬態，通常受低摻雜效率和環境不穩定性的限制。

在此，來自華南理工大學的黃飛等研究者，報道了一種簡單合成的高導電n-型聚合物聚(苯并二氮雜呋喃二酮)(PBFDO)。相關論文以題為“A solution-processed n-type conducting polymer with ultrahigh conductivity”于2022年09月07日發表在Nature上。

要實現高導電性的n-型導電聚合物(n-CPs)，必須同時獲得高效的電子傳遞和高載流子濃度。對于第一個方面，大而剛性的骨架和擴展的共軛框架是首選的，使(雙)極化子輕松離域和鏈內載流子傳輸成為可能。

然而，絕緣側鏈或表面活性劑的功能化是必須的，以確保這些聚合物的溶液可加工性，這將對導電性產生不利影響。第二方面，摻雜是增加載流子濃度的常用方法。不幸的是，大多數n-CPs的摻雜效率非常低(通常為10%左右)。人們為提高n-摻雜效率做出了巨大的努力。

例如，合成了具有最低未占據分子軌道(LUMO)水平的共軛聚合物，從熱力學上促進了摻雜劑向聚合物的電子轉移，提高了n-摻雜狀態下的空氣穩定性。此外，人們還開發了各種空氣穩定的n-摻雜劑，以克服氧的脆弱性，從而確保多種聚合物中的n-摻雜，主要包括有機氫化物、有機金屬、有機自由基二聚體和單/多價陰離子。

此外，摻雜過程優化，包括摻雜劑/-宿主混相調節和過渡金屬催化摻雜，進一步提高了n-摻雜效率。到目前為止，已經實現了具有里程碑式電導率達到100 S cm^-1的n-CPs。然而，大多數高性能的n-
CPs的化學結構復雜，摻雜過程繁瑣，合成步驟多，無氧條件，限制了從科研到大規模商業化生產的技術轉變。目前，實現具有千級電導率和金屬態的n-CP仍具有挑戰性。這就要求n-CPs的發展取得突破。

在此，研究者提出了一種溶液處理的無側鏈n-CP聚(苯并二氮呋喃二酮)(PBFDO)，突破性的電導率達到2000 S cm^-1。該反應結合了氧化聚合和原位還原n-摻雜，顯著提高了摻雜效率，每個重復單元的摻雜電荷量達到近0.9。合成的聚合物表現出突破性的電導率超過2000 S cm^-1，具有優異的穩定性和意外的溶液處理性能，不需要額外的側鏈或表面活性劑。此外，對PBFDO的詳細研究揭示了相干電荷輸運特性和金屬態的存在。研究者進一步展示了n型CPs在電化學晶體管和熱電發生器中的基準性能，從而為n型CPs在有機電子領域的應用鋪平了道路。

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圖1. PBFDO的化學結構及其在溶液態和膜態下的電荷平衡形態

圖2. PBFDO的溫度電導率和霍爾測量

圖3. PEBFDO的電荷輸運研究

圖4. PBFDO在有機電子中的器件應用演示

綜上所述，研究者在這里演示了一個可處理的、無側鏈的n-CP聚(苯并二氮呋喃二酮)(PBFDO)，通過創新的方法實現了里程碑式的電導率達到2000 S cm^-1。利用氧化還原可逆醌PBFDO通過氧化聚合和原位還原性摻雜工藝的結合容易合成，產生剛性共軛主鏈，且摻雜水平高，無需額外的n-摻雜。這種n-CP制備方法簡單，可顯著降低材料成本，在大規模工業化生產中顯示出巨大的潛力。

此外，帶電共軛骨架與溶劑之間的強相互作用，使無側鏈PBFDO在不添加任何表面活性劑的情況下具有良好的溶液加工性能。高的摻雜效率、優異的共軛主鏈平面性、致密的微結構以及絕緣增溶劑的缺失，使PBFDO具有超高的導電性。

深入研究揭示了PBFDO中的金屬態和相干電荷傳輸行為，幫助研究者深入了解重度摻雜n-CPs中的傳導機制。PBFDO憑借其超高的n型電導率和良好的環境穩定性，被應用于熱電器件和有機電化學晶體管中，顯示了其良好的環境穩定性。