科學研究 - 日本發現可以用離子控制電子實施金屬性塑膠

東京大學全球首次發現，半導體塑膠（半導體聚合物）中也可以進行離子交換。

離子交換自古以來就廣泛應用於淨水、蛋白質分離純化和工業污水處理等，是我們生活中不可或缺的化學現象（圖1a）。本次研究發現一個創新性原理，即利用這種極爲普遍的化學工程單元操作——離子交換，能控制半導體塑膠的電子狀態（圖1b）。另外，研究小組還利用該指導原理，精確控制了半導體塑膠的電子狀態，成功實施了具有金屬性質的塑膠。

圖1

（a）普通離子交換的原理。本圖是從含雜質陰離子（氯離子：Cl^-）的水中提取純水的例子。透過使含氯離子的水滲透到陰離子交換樹脂中，氯離子與陰離子交換樹脂中所含的氫氧離子（OH^-）進行陰離子交換。
（b）本次研究發現的半導體聚合物中的離子交換摻雜的原理。預先導入半導體聚合物中的摻雜劑陰離子（圖中以藍色的F4TCNQ^·-爲例）在離子液體等供應其他陰離子（圖中以紅色TFSI^-爲例）時瞬間發生陰離子交換。實際上，陰離子交換發生在半導體聚合物中的奈米尺寸縫隙中。研究發現，透過選擇合適的陰離子，陰離子轉化效率幾乎能達到100％。

此次發現的方法是容易實施大面積化的室溫附近的溶液工序，能顯著提高半導體塑膠的摻雜量、結晶性、熱耐久性和傳導特性。透過選擇各種各樣的離子性化合物，今後還可以進一步控制傳導特性和物理化學特性。本次研究實施的金屬性塑膠内的離子交換反應有望大大促進離子電子（Iontronics）器件的實施。

相關研究成果已於2019年8月28日發佈在英國科學期刊《自然》的網路版上。

圖2

（a）陰離子交換摻雜模式。透過使用F4TCNQ與離子液體的混合溶液作爲摻雜劑溶液，進入PBTTT中的F4TCNQ陰離子可以與離子液體的陰離子Y^-原位交換。PBTTT薄膜的（b）光吸收測量及（c）傅立葉轉換紅外線光譜測量的結果顯示，進行離子交換摻雜後的PBTTT薄膜中不存在F4TCNQ陰離子，幾乎以100％的轉化效率轉換成了陰離子Y^-。