有机混合离子-电子导体(简称omiec)是下一代电池和电子设备中最有前途的材料之一。这些柔软、柔韧的聚合物半导体具有良好的电化学性能，但人们对它们的分子微观结构和电子如何在其中移动知之甚少——这是将omiec推向市场所需要解决的一个重要知识缺口。
为了填补这一空白，斯坦福大学的材料科学家最近采用了一种特殊的电子显微镜技术，该技术与软的，所谓的“光束敏感”材料(如生物分子)一起工作，以获得更清晰的omiec结构内部工作原理的图像，以及为什么它们具有如此有利的电化学性能。
就像汽车电池中的水一样，液体电解质被注入到OMIEC聚合物层之间。电解质是离子在正负极之间移动产生电流的介质。
“当OMIEC聚合物浸入液体电解质中时，它们会像手风琴一样膨胀，但仍保持电子功能。我们已经了解到，聚合物材料的长分子链能够拉伸和轻微弯曲，即使材料与电解质一起膨胀300%，也能形成连续的路径，”工程学院Hong Seh和Vivian W. M. Lim教授Alberto Salleo说，他是发表在《自然材料》杂志上的论文的资深作者。
“这项研究代表了可视化这些材料微观结构的概念突破。“以前我们只能理论化，现在我们可以看到发生了什么，使得omiec工作得如此之好，”Salleo实验室的博士后学者和论文的第一作者Yael Tsarfati说，他进行了大部分的电子显微镜观察。“在结构层面了解材料的工作原理是设计更好材料的关键。”
Salleo和Tsarfati已经为这项研究工作了三年。他们是第一个使用低温电子显微镜(Cryo 4D-STEM)来成像浸泡在水性电解质中的OMIEC聚合物，同时它还带有电荷。这种类型的显微镜使用强大的电子束而不是光来成像，并且要求样品非常冷，以防止电子对材料的破坏。
浸湿和带电的双重压力导致聚合物结构以复杂但重要的方式发生变化，Salleo说。可视化聚合物的性能是如何在这些压力下保持的，这是一个引起社区兴趣的谜。但是用传统的电子显微镜对这些聚合物成像一直是一个挑战。
如果omiec是固体半导体，研究人员将很快转向电子显微镜来研究它们的晶体结构。但是omiec非常柔软，以致于在观测过程中，用于照亮其内部结构的强大电子束会损坏它们。
利用这种新颖的显微镜技术，Salleo和Tsarfati现在可以看到柔软的、可延展的聚合物是如何在膨胀时保持其结构完整性的。研究小组现在认为，OMIECs的软液晶聚合物结构可以拉伸和弯曲，在聚合物折叠带之间形成的电解质气泡周围形成连续的电子路径。
从本质上讲，冷冻4D-STEM是在研究材料时将其冻结。电解质不会像水变成冰那样变成固体。相反，它进入一种不同的玻璃化状态，使Salleo和团队能够看到运行中的微观结构。
“这种聚合物形成一种可以弯曲和拉伸的凝胶，”萨里奥解释说。“它可以膨胀很多，有时是300%，这将完全破坏大多数材料的电子特性。但在omiec中，电子性质仍然被保留了下来。”
Tsarfati指出，一旦膨胀，聚合物链的结构变化很小，即使在充放电过程中也是如此。这导致更有效的离子交换，对材料本身的压力最小，使omiec从电子的角度来看很有吸引力。
“与我们研究过的其他材料相比，聚合物对物理变化和离子插入表现出令人印象深刻的弹性，这是未来电子产品的理想特性，”Tsarfati补充说，指出了团队研究的新方向。
更多信息:Yael Tsarfati等人，有机混合离子电子导体的层次结构及其在水中的演变，Nature Materials(2024)。DOI: 10.1038/s41563-024-02016-6期刊信息:Nature Materials by Stanford University引文:研究人员阐明新时代软半导体的内部工作原理(2024,10月1日)检索自2024年10月1日https://techxplore.com/news/2024-10-illuminate-age-soft-semiconductors.html。除为私人学习或研究目的而进行的任何公平交易外，未经书面许可，不得转载任何部分。内容仅供参考之用。
