科学研究 - 日本发现可以用离子控制电子实现金属性塑料

东京大学全球首次发现，半导体塑料（高分子半导体）中也可以进行离子交换。

离子交换自古以来就广泛应用于净水、蛋白质分离纯化和工业污水处理等，是我们生活中不可或缺的化学现象（图1a）。本次研究发现一个创新性原理，即利用这种极为普遍的化学工程单元操作——离子交换，能控制半导体塑料的电子状态（图1b）。另外，研究小组还利用该指导原理，精确控制了半导体塑料的电子状态，成功实现了具有金属性质的塑料。

图1

（a）普通离子交换的原理。本图是从含杂质阴离子（氯离子：Cl^-）的水中提取纯水的例子。通过使含氯离子的水渗透到阴离子交换树脂中，氯离子与阴离子交换树脂中所含的氢氧根离子（OH^-）进行阴离子交换。
（b）本次研究发现的高分子半导体中的离子交换掺杂的原理。预先导入高分子半导体中的掺杂剂阴离子（图中以蓝色的F4TCNQ^·-为例）在离子液体等供应其他阴离子（图中以红色TFSI^-为例）时瞬间发生阴离子交换。实际上，阴离子交换发生在高分子半导体中的纳米尺寸缝隙中。研究发现，通过选择合适的阴离子，阴离子转换效率几乎能达到100％。

此次发现的方法是容易实现大面积化的室温附近的溶液工序，能显著提高半导体塑料的掺杂量、结晶性、热耐久性和传导特性。通过选择各种各样的离子性化合物，今后还可以进一步控制传导特性和物理化学特性。本次研究实现的金属性塑料内的离子交换反应有望大大促进离子电子（Iontronics）器件的实现。

相关研究成果已于2019年8月28日发布在英国科学期刊《自然》的网络版上。

图2

（a）阴离子交换掺杂模式。通过使用F4TCNQ与离子液体的混合溶液作为掺杂剂溶液，进入PBTTT中的F4TCNQ阴离子可以与离子液体的阴离子Y^-原位交换。PBTTT薄膜的（b）光吸收测量及（c）傅里叶转换红外光谱测量的结果显示，进行离子交换掺杂后的PBTTT薄膜中不存在F4TCNQ阴离子，几乎以100％的转换效率转换成了阴离子Y^-。