冯新亮教授团队Nature: 突破壁垒：揭示二维聚苯胺的面外金属导电性

文章总结

研究背景：导电聚合物的电荷传输特性一直是科研热点，自掺杂聚乙炔的开创性研究以来，其电荷传输机制和金属态研究不断深入。电荷主要沿共轭链传输，链间电荷传输相对较弱，限制了其在扩展维度的应用。为提升导电聚合物在多维度的电荷传输效率，增强分子间前沿轨道重叠以形成分散能带成为关键。二维导电聚合物虽具有潜力，但层内和层间电荷传输受结构有序性和电子耦合不足的制约，因此开发具有高效电荷传输性能的新型导电聚合物材料迫在眉睫。

实验内容

二维聚苯胺（2DPANI） 晶体的合成与结构解析：研究团队利用表面活性剂单层辅助水相界面合成法，以阴离子表面活性剂单层（十二烷基硫酸钠）在盐酸水溶液表面控制苯胺单体的预组织，随后添加过硫酸铵引发聚合反应，成功制备出 2DPANI 晶体。该晶体平均域尺寸达 130 - 160μm²，厚度约 92nm。通过 μ - XPS 确定了其化学组成包含 C、N 和 Cl 元素；GIWAXS 和 SAED 分析得出晶体具有长程有序的菱面体晶格（a = b = 20.8Å，γ = 115°）；AC - HRTEM 直观呈现出其 AA 锯齿状堆叠多层结构，层间距为 3.59Å，且 Cl⁻离子桥接相邻层，增强了层间相互作用。

电子结构与性质的深度剖析：采用 ESR 光谱研究 2DPANI 中的电子行为，发现其在不同温度下电子状态存在差异。在 5 - 100K，自旋磁化率遵循居里定律，表明电子局域化；高于 100K 时，自旋磁化率近似恒定，呈现类 Pauli 自旋磁化率特征，意味着电子离域化，转变温度约为 100K。DFT 计算进一步揭示，多层 2DPANI 结构因 Cl⁻离子和层间 π - π 相互作用呈现金属性，Cl⁻离子使 Cl (p) 能级靠近费米能级，与 C 和 N 的 p 能级混合形成面外强分散带，为其良好的导电性提供了理论依据。

频率相关电导率的精准测定：运用 THz 和 IR 纳米光谱技术（s - SNOM 和 nano - FTIR）探测 2DPANI 薄片的光学电导率。实验结果显示，2DPANI 在 THz 和 IR 波段展现出与移动载流子相关的高光学电导率。基于 3D Drude 模型拟合数据，获得高频介电常数、屏蔽等离子体频率和阻尼参数等关键参数，推算出直流电导率约为 200S/cm。同时，结合 Boltzmann 输运方程计算，确定了面内和面外的有效电子质量，证实了其各向异性 3D 电导率特性，且计算得到的等离子体频率与实验结果相符。

电输运性能的全面评估：制作基于单个 2DPANI 薄片的垂直和横向微器件进行电输运测量。垂直微器件中，2DPANI 的面外电导率随温度从 300K 降至 3K 单调增加，室温下平均电导率为 7.1 ± 3.4S/cm，呈现典型的金属性电荷传输行为；横向微器件在 300 - 250K 时电导率随温度降低而增加，类似金属传输特性，但低于 250K 时，因材料内部结构缺陷导致电导率下降，室温下平面内平均电导率为 15.9 ± 15.2S/cm 。

研究结论：该研究成功合成出多层堆叠的 2DPANI 晶体，其独特结构赋予材料强电子离域化能力，实现了面外高电导率（约 15S/cm）和金属性输运行为，这在导电聚合物领域尚属首次。该成果不仅为理解导电聚合物在扩展维度实现金属态提供了关键实验依据，还为 3D 有机金属的开发开辟了新方向，在基础物理研究和高性能电子器件应用方面展现出巨大潜力。然而，目前 2DPANI 晶体的合成条件较为苛刻，实际应用中的稳定性和兼容性等问题也有待解决。未来研究可聚焦于优化合成工艺、提升材料稳定性和兼容性，推动 2DPANI 晶体从实验室走向实际应用，促进整个二维导电聚合物领域的蓬勃发展。

图文简介

2DPANI 合成步骤的示意图及推测的分子结构

2DPANI 晶体的形貌和结构表征

通过电子自旋共振（ESR）研究和密度泛函理论（DFT）计算探究 2DPANI 的电子性质

2DPANI 的太赫兹（THz）和红外（IR）纳米成像及纳米光谱分析

论文信息

通讯作者：Thomas Heine, Renhao Dong, Rainer Hillenbrand ， Xinliang Feng