【材料】瑞典林雪平大学Nat. Commun.：用于印刷电子学的高导电性聚合物n型墨水

聚合物导电墨水在科学研究和工业应用中都具有巨大的价值。聚(3,4-亚乙二氧基噻吩) : 聚(苯乙烯磺酸)，即PEDOT:PSS，是目前商业化最成功的聚合物导电墨水。作为分散在水中的墨水，PEDOT:PSS的产能超过100吨/每年，行业价值超过500亿美元/每年。PEDOT:PSS是p型导电聚合物，仅能实现稳定的空穴导电。众多光电、热电和生物电子器件需要互补的空穴传导材料和电子传导（也即n型）材料。然而，能与PEDOT:PSS相媲美、能够在基础科学研究和工业生产中应用的n型聚合物导电墨水尚未出现。

近期，Nature Communications杂志上发表了瑞典林雪平大学（Linköping University） Simone Fabiano副教授等研究者的论文，他们参考PEDOT:PSS中导电聚合物:聚电解质结合的结构，设计合成了n型的聚苯并咪唑并苯并菲咯啉:聚乙烯亚胺（BBL:PEI）导电聚合物，首次以聚合物:聚电解质的方式实现了基于乙醇溶剂的n型墨水。聚合物:聚电解质的微观结构调控是非常大的挑战。在本文中，作者将传导电子载流子的聚合物BBL制备成多孔的纳米凝胶，之后在BBL纳米凝胶表面吸附聚合物掺杂剂PEI，获得了在乙醇中分散的BBL:PEI墨水。BBL:PEI墨水可以在空气中进行溶液加工制备薄膜，掠入射X射线衍射分析表明BBL:PEI薄膜状态中PEI主要分布于BBL的层状堆积之间，PEI的引入使得BBL的π-π堆积距离变短，π-π堆积有序性增强。这一微观结构非常有利于电荷传输，因此BBL:PEI能够实现超过8 S cm^-1的n型高电导率。

图1. BBL:PEI的化学结构、分子排列、不同浓度墨水的照片以及空气中喷涂成膜过程。

BBL:PEI薄膜表现出目前n型导电聚合物中最好溶剂耐受性，耐受氯仿、氯苯、1,8-二碘辛烷、N,N-二甲基甲酰胺、二甲亚砜等有机发光二极管、有机太阳能电池、钙钛矿太阳能电池加工中常使用的溶剂，其电导率在上述溶剂洗涤之后不受影响。BBL:PEI即使在空气中水洗之后，仍然能够保持20%以上的初始电导率。BBL:PEI的厚膜由于自封装效应，在空气中有良好的稳定性。BBL:PEI表现出目前所有导电聚合物中最好的热稳定性，在惰性气氛下200摄氏度长时间退火，其电导率不衰减；即使在350摄氏度下退火超过1小时，其电导率仍能维持70%以上。BBL:PEI能够实现超过11 μW m⁻¹ K⁻² 的n型热电功率因子。基于BBL:PEI的溶液加工性和高热电性能，作者加工了基于BBL:PEI和PEDOT:PSS的全聚合物热电发电机，实现了聚合物热电发电机中目前最高的功率输出，而由印刷制备的BBL:PEI/PEDOT:PSS热电发电机表现出非常类似的性能。基于BBL:PEI的水稳定性和离子-电子耦合传导性能，作者加工了第一例n型耗尽型有机电化学晶体管。与基于PEDOT:PSS的p型耗尽型有机电化学晶体管相结合，作者加工了第一例基于有机电化学晶体管的三元反相器，能够实现“-1”、“0”、“1”三元逻辑运算。

图2.（a）BBL:PEI在不同聚合物:聚电解质比例下的电导率。（b）BBL:PEI在350摄氏度退火下的电导率稳定性。（c）基于BBL:PEI的n型耗尽型电化学晶体管的转移特性曲线。（d）基于BBL:PEI与PEDOT:PSS的全聚合物热电发电机在不同负载下的功率输出。

本工作开创性的使用导电聚合物:聚电解质的方法，开发了具有高导电性、高稳定性、广泛应用性的乙醇基n型导电聚合物BBL:PEI墨水。n型BBL:PEI墨水完成了对p型聚合物墨水PEDOT:PSS的互补，将推动下一代有机光电器件、生物电子器件的众多新颖应用。该研究工作发表在综合性期刊Nature Communications 上，论文的第一作者为林雪平大学的玛丽居里博士后杨驰远，论文通讯作者为林雪平大学Simone Fabiano副教授。

图3. 本论文部分作者合影。从左至右依次为Marc-Antoine Stoeckel (第二作者)、Tero-Petri Ruoko (第三作者)、杨驰远 (第一作者)、吴含嫣 (第四作者)。供图：Thor Balkhed

本工作首次实现了能够工业生产和工业应用的乙醇基n型导电聚合物墨水。本论文的作者杨驰远博士、Marc-Antoine Stoeckel博士、Simone Fabiano副教授、Magnus Berggren教授（瑞典皇家科学院、皇家工程院院士）作为联合创始人创立了n-ink公司(n-ink.com，n-ink.se)，致力于推动BBL:PEI和其他n型聚合物墨水的商业化。目前，基于BBL:PEI的导电聚合物墨水等产品可以从n-ink公司获得。

图4. n-ink 公司的部分成员。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：

A high-conductivity n-type polymeric ink for printed electronics

Chi-Yuan Yang, Marc-Antoine Stoeckel, Tero-Petri Ruoko, Han-Yan Wu, Xianjie Liu, Nagesh B. Kolhe, Ziang Wu, Yuttapoom Puttisong, Chiara Musumeci, Matteo Massetti, Hengda Sun, Kai Xu, Deyu Tu, Weimin M. Chen, Han Young Woo, Mats Fahlman, Samson A. Jenekhe, Magnus Berggren, Simone Fabiano* 

Nat. Commun., 2021, DOI: 10.1038/s41467-021-22528-y

林雪平大学新闻：

https://liu.se/en/news-item/nytt-ledande-black-oppnar-for-nasta-generations-tryckta-elektronik

课题组介绍

林雪平大学有机电子学实验室

https://liu.se/en/research/laboratory-of-organic-electronics

Simone Fabiano课题组

https://liu.se/en/research/organic-nanoelectronics

Simone Fabiano课题组博士后招聘，请联系课题组杨博士([e-mail])

n-ink公司

n-ink AB, 58330 Linköping, Sweden

http://n-ink.com

(本文由林雪平大学有机电子学实验室供稿)