具有可折疊、可彎曲、柔性和超薄電子產品的未來正迅速進入我們的生活。這些消費品所使用的材料通常是導電的聚合物（塑料）。為了更好地理解這一有前途的物質，美國國家標準技術研究院（NIST）的科學家開發了一種技術，該技術使用光來快速而準確地測試材料的電導率 ，還可以解釋其他方法無法解釋的行為。現在，NIST團隊已經證明了這種基于光的方法的進一步用途，該方法可用于揭示一種聚合物中從未見過的行為。
研究人員近日在“Journal of Physical Chemistry C” 上發表了他們的研究結果。
這項工作是NIST對開發測量工具的研究的最新貢獻，該測量工具用于研究可彎曲生物傳感器、手機和太陽能電池等各種電子傳輸中使用的新型材料。
NIST研究化學家，美國國家研究委員會（National Research Council）博士后研究員Tim Magnanelli說：“柔性顯示器和智能手機的市場正在增長，使產品體積更小，更靈活，更容易批量生產。簡化電導率測試過程對于只想知道的行業研究人員來說可能是非常有價值的”。
導電塑料
大多數消費類電器（例如筆記本電腦，甚至洗衣機中的計算單元）都基于硅技術。硅是控制電導通的極佳材料，因為“電荷載流子”能夠輕松地在硅晶體中移動。負載流子是電子，正載流子稱為“空穴”，是缺少電子的地方。
盡管自19世紀以來就已經研究并廣泛使用塑料，但是導電塑料才剛剛開始用于主流商業電子產品。它們在傳導電流方面的效率往往不如硅，這意味著電荷載流子在材料內的移動通常較小。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。
測試材料導電性的典型方法是在其上焊接觸點。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，材料表面仍會存在缺陷，從而改變其測量的電導率。對每個樣品施加接觸也需要時間，從而延長了測試過程，并可能影響制造商將樣品用作設備組件。
為了解決這些問題，幾年前，NIST研究化學家Ted Heilweil設計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率。首先，他使用可見光的超短脈沖在樣品中產生電子和空穴。然后，他用偏振太赫茲（THz）輻射照亮了樣品，該波長的波長比人眼所見要長得多，在遠紅外至微波范圍內。
與可見光不同，太赫茲光甚至可以穿透不透明的材料，例如相對較厚的聚合物樣品和固體半導體。多少光穿透樣品取決于多少電荷載流子自由移動，表明其導電性。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。
驚喜發現
在最新研究中，Heilweil和Magnanelli首次對兩種導電聚合物使用了THz方法，這是因為它們是易于研究和比較的簡單聚合物，因此被選中。第一個稱為PCDTPT，是相對較新的。它的鏈條由兩個不同的分子組成，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。鏈中的一個分子是“供體”，它吸收光并產生電荷載流子。另一個分子是“受體”，它吸引電荷載流子，使它們沿著鏈和樣品周圍運動。
在這項工作中測試的第二種聚合物稱為P3HT，用于比較，因為已經對其進行了更徹底的研究。它僅包含一個重復分子，并且具有比PCDTPT更隨機，更不規則的結構。與硅相比，PCDTPT的導電性降低了約三個數量級，而P3HT的導電性降低了約四個數量級。
Heilweil和Magnanelli首先以納米膜的形式對這兩種物質進行了測試-本質上是薄而固體的樣品。他們的目的是對比沿線與跨線進行檢查時，對比PCDTPT膜的導電性能。
然后，他們將這兩個分子懸浮在不導電的液體中，阻止了它們之間的電子相互作用和通訊。正如先前實驗所預期的那樣，P3HT溶液沒有顯示出可測量的電導率。
然而，令他們驚訝的是，PCDTPT解決方案確實顯示出導電性。不僅如此，它在溶液中的電導率與固體形式一樣多。
“真是太神奇了，” Heilweil說。“我們以前從未在其他任何聚合物中看到過這種行為。”
由于PCDTPT分子在液體樣品中彼此之間更分離，因此該發現對研究人員意味著PCDTPT中的電導率發生在單個聚合物鏈之內和沿著單個聚合物鏈，而不是在聚合物鏈之間，這不同于大多數科學家以前的想法。
Magnanelli說：“我們無法使用傳統的基于接觸的方法來發現此信息。”
制備樣品的NIST物理學家Lee Richter和客座研究員Sebastian Engmann一直通過施加接觸以常規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“不僅要考慮放置接觸的表面上發生了什么，還應該考慮整個層”。
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，當懸浮在液體中時，PCDTPT令人驚訝的電導率“可能是冰山的一角，因為也許另一種聚合物的電導率也比預期的要好得多。”
盡管PCDTPT或P3HT本身都不大可能對大型消費電子設備特別有用，但Heilweil強調指出，通過找到設計，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向研究人員表明以前沒有興趣的材料可以比任何人意識到的要好得多。
Heilweil說：“即使我們在了解這些聚合物的表現方面還處于起步階段，但我們可能會達到一個很好的水平，甚至可以與硅競爭。這是一個遠景，但很有可能實現。”
研究發表論文標題為《Polarization Dependence of Charge Conduction in Conjugated Polymer Films Investigated with Time-Resolved Terahertz Spectroscopy》。
