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CCS Chemistry:嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料,实现纳米级压力传感功能

[J]. CCS Chemistry, ;2020, 2(0): 1399-1409. doi: 10.31635/ccschem.020.202000297 shu

CCS Chemistry:嵌段共聚物自组装成 “三明治”二维有机材料,实现纳米级压力传感功能

Figures(1)

  •        南方科技大学何凤课题组从分子设计入手,以嵌段共聚物为构筑基元,精确制备了基于共轭聚合物的菱形二维自组装结构。这些结构实现了半导体层与绝缘层厚度的精确分离,在外接电压下达到了可调控的隧穿效应。利用这种策略,成功制备了基于个体二维自组装体的压力传感器件,在微纳尺度下呈现了优异的灵敏度




      有机二维材料因其特殊的超薄扁平结构而具有独特的机械强度、电导性、透明度和柔韧性,被认为是生物传感器、电子和光电等微纳器件应用的最具潜力的候选材料。由于无序性的影响,二维有机材料大多表现的特性是其各组分性质的混合,这极大地限制了其应用。在微纳尺度下,为不同的应用目的制造具有不同特性的组分且有序排列的复杂结构是至关重要的科学课题。

     近年来,通过嵌段共聚物(block copolymer,BCP)“自下而上”自组装来制备二维材料制备方法被建立和发展起来,而且成本低、效率高、质量高且可控。这种构筑基元由具有不同的成分组成,为实现微纳结构中可调的机械、光学和电学性质提供潜在的机会。然而,这些共聚物分子是如何自发地组装成二维形貌,以及它们在二维结构是如何排列堆积的,仍然是一个悬而未决的课题。因此,从分子设计的角度出发,制备精细可控的聚合物二维结构,并通过晶体学的修饰进一步调整其形貌是具有重要意义的。另外,尽管二维材料具有可以预见的优秀性能,但是目前对于聚合物二维材料的研究仍旧大多关注于形貌的制备与调控,真正有关其物理性能的研究还寥寥无几,这不得不说是一个遗憾。



    图1 通过改变共轭聚合物的侧边烷基链,利用晶体学调节的方法控制二维自组装结构的形状。


       近期,南方科技大学的何凤课题组聚焦于具有半导体性质的共轭聚合物——聚对苯撑乙烯poly(p-phenylenevinylene) (PPV),以其作为成核嵌段成功了构筑嵌段共聚物。通过溶剂亲疏作用与分子间的π-π相互作用,在特定的溶剂中,这些嵌段共聚物可以形成规则均一的菱形二维自组装形貌。通过改变溶液浓度与分子嵌段比,可以实现形貌尺寸的精确控制。与该课题组之前的研究对比,可以发现通过调整共轭骨架两侧的烷基链,可以改变分子间π-π相互作用的空间位阻,不同的位阻导致分子堆积由正交排列转变为单斜排列,从而从宏观上观察到相似结构的嵌段共聚物形成的二维自组装形貌由正方形转变为菱形(图1)。这种二维自组装形貌的构筑策略是具有普适性的。



    图2 基于二维自组装胶束构筑的隧穿效应压力传感器件性能研究。(a)隧穿效应压力传感器件结构;(b)隧穿结器件的能级结构;(c)不同压力下器件的电流-压力曲线;(d)隧穿器件的耐受性测试;(e)柔性基底上制作的二维胶束隧穿器件;(f)柔性基底器件在不同弯曲程度下的电流-压力曲线。


    通过对所得菱形二维自组装形貌的组分分布进行探究,发现二维自组装形貌中半导体的PPV嵌段被上下两层的绝缘外延嵌段包夹着,组成了一种“三明治”结构。这种结构使得半导体和绝缘组分在二维形貌中得到了很好的分离,通过分子设计可以控制绝缘层的厚度,进而可以有效地控制基于二维材料构筑的隧穿器件的垂直电导率,并以此制造出纳米级的压力传感器(图2a)。所制备隧穿器件的开关电流比大于104,连通态时电流密度高达6000 A cm-2,具有极高的灵敏度与良好的耐受性(图2b-d)。同时用这种方法制备的隧穿器件在弯曲时仍然表现了不错的性能(图2e、f)。实验结果表明这些二维胶束型材料在微电子或电子机械传感领域有着广阔的应用前景,如果借助嵌段共聚物分子外接功能链与羟基或金属离子之间进行相互作用,甚至可以通过衬底工程实现图案化的器件设计。

    南方科技大学格拉布斯研究院研究助理教授韩亮以及物理系联培博士生凡华是该论文共同第一作者,南方科技大学化学系何凤副教授和物理系赵悦副教授为共同通讯作者。此外,南方科技大学物理系讲席教授、量子科学与工程研究院院长俞大鹏院士和北京大学新材料学院院长潘锋教授也对该论文有着重要贡献。本研究得到了国家自然科学基金委、深圳市科创委、深圳市诺贝尔奖科学家实验室项目、广东省催化重点实验室、广东省重点领域研发项目等部门的基金支持。该工作以Research article形式发表在CCS Chemistry,并在官网“Just Published”栏目上线。


    文章详情:

    Precisely Controlled Two-Dimensional Rhombic Copolymer Micelles for Sensitive Flexible Tunneling Devices

    Liang Han , Hua Fan, Yulin Zhu , Meijing Wang , Feng Pan, Dapeng Yu, Yue Zhao * & Feng He*

    Citation:CCS Chem. 2020, 2, 1399–1409

    Link:https://doi.org/10.31635/ccschem.020.202000297


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通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
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    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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