摘要：线性导电聚合物显示出弹道传输，这是由移动载流子沿聚合物链移动造成的，而由于分子间有序和电子耦合的缺乏，在扩展维度（即聚合物链或聚合物层之间）的导电仍然很弱。
线性导电聚合物显示出弹道传输，这是由移动载流子沿聚合物链移动造成的，而由于分子间有序和电子耦合的缺乏，在扩展维度（即聚合物链或聚合物层之间）的导电仍然很弱。
2025年2月5日，德国德累斯顿工业大学的冯新亮院士、董人豪、Thomas Heine和西班牙巴斯克基金会的Rainer Hillenbrand在国际顶级期刊Nature发表题为《Two-dimensional polyaniline crystal with metallic out-of-plane conductivity》的研究论文，Tao Zhang、Shu Chen、Petko St. Petkov、Peng Zhang、Haoyuan Qi、Nguyen Ngan Nguyen为论文共同第一作者，冯新亮院士、董人豪、Thomas Heine、Rainer Hillenbrand为论文共同通讯作者。
冯新亮，德国德累斯顿工业大学首席教授，上海交通大学化学化工学院特聘教授，德国马普高分子研究所杰出课题组组长，欧洲科学院院士（2019年，39岁），德国工程院院士（2021），德国科学院Leopoldina化学部院士（2024）（最年轻的“三院”院士之一）。
1980年出生，2001年本科毕业于中国地质大学（武汉），2004年获得上海交通大学硕士学位，2008年获得德国马普高分子研究所博士学位。2007年任德国马普高分子研究所课题组组长，2011年任上海交通大学化学化工学院特聘教授，2012年任德国马普高分子研究所杰出课题组组长。现担任德国德累斯顿工业大学首席教授，也是在德国获得化学学科终身教职的华人第一人。
冯新亮院士目前的研究领域包括新型聚合物的合成方法，有机和聚合物合成，界面化学，π共轭体系的超分子化学，自下而上合成碳纳米结构和石墨烯纳米带，有机二维晶体，包括二维（超分子）聚合物，二维共轭聚合物和用于光电子，自旋电子学，分子量子和计算器件的二维共轭金属有机框架，二维晶体的电化学剥离，石墨烯和二维材料的能量存储和转换，新能源器件和技术。研究成果在国际学术界产生了重要影响，在Nature、Science及其子刊等期刊上发表论文700余篇，总引用量超过12万次。
董人豪，德国德累斯顿工业大学课题组长&香港大学副教授。2008年和2013年获得山东大学学士和博士学位，2013年赴德国马克思普朗克聚合物研究所（美因茨）开展博士后工作，2014年获得洪堡学者称号，2015-2017年在德国德累斯顿工业大学任研究助理，2017年起先后担任德国德累斯顿工业大学课题组长、独立PI、青年研究员和博士生导师。2021年于山东大学建立功能界面与大分子材料课题组（FIMM）。现同时任香港大学副教授。
董人豪的研究兴趣集中于有机二维材料，包括（1）开发界面辅助合成方法；（2）拓扑π共轭分子的设计和合成；（3）2D共轭聚合物（2D聚合物/COF）：电子和能量的化学和功能；（4）Moftronics：用于光电，磁性，电催化，能源存储设备和传感的导电2D MOF；（5）新型的范德华和外侧异质结构以及外来的物理和化学特性。
在本文中，作者报道了一种多层堆叠的二维聚苯胺（2DPANI）晶体，该晶体具有高电导率的金属面外电荷传输。
该材料由圆柱π阵列组成，层间距离为3.59Å，并由交织的聚苯胺链形成长程有序的周期性菱形晶格。电子自旋共振（ESR）谱揭示了2DPANI晶格中的强电子离域态。
第一性原理计算表明，扩展二维共轭体系、范德华作用致密层间堆叠及Cl⁻离子桥联协同作用，促进了2DPANI中的强面外电子耦合效应。
为评估局部光学电导率，作者使用太赫兹和红外纳米光谱揭示了具有红外等离子体频率和约200 S cm-1的外推局部直流电导率的Drude型导电性。导电原子力显微镜（c-AFM）测得面外电导率异常高，约为15 S cm-1。
基于垂直和横向微设备的电传输测试揭示了相当高的面外（约7 S cm-1）和面内电导率（大约16 S cm-1）。垂直微设备进一步证实，电阻随着温度降低呈单调下降趋势，电导率增加，这表明了独特的面外金属态输运行为。
通过使用这种多层堆叠的2D导电聚合物设计，作者预测可以实现超越面内相互作用的强电子耦合，可能达到3D金属导电性。
图1：2DPAN的合成过程和分子结构示意图
图2：2DPANI晶体的形貌和结构表征
图3：用ESR和DFT计算研究了2DPANI的电子性质
图4：2DPANI的THz和IR纳米成像和纳米光谱
综上，作者报道了一种多层堆叠的二维聚苯胺（2DPANI）晶体，该材料展现出高电导率的金属面外电荷输运特性。研究团队通过表面合成技术制备了这种材料，并对其电荷输运特性进行了系统研究。
研究发现，2DPANI晶体具有长程有序的菱形晶格结构，层间距为3.59 Å，并且通过Cl⁻离子桥联协同作用实现了强面外电子耦合。实验表明，该材料在面外方向的电导率达到约15 S cm-1，且表现出随温度降低而电导率增加的金属态输运行为。此外，通过太赫兹和红外纳米光谱学测量，推导出其局部直流电导率约为200 S cm-1。
该研究突破了传统导电聚合物在层间传输能力弱的限制，首次实现了导电聚合物在3D方向上的金属态电荷输运。该发现为理解导电聚合物的电荷输运机制提供了新的视角，并为开发具有3D金属导电性的有机材料奠定了基础。
这种具有金属输运特性的2D导电聚合物有望在有机电子器件、柔性电子、传感器和能源存储等领域发挥重要作用。其独特的3D导电性使其在高性能电子器件的设计和制造中具有广阔的应用前景，例如用于制造高性能的有机晶体管、透明电极和柔性电路等。
Zhang, T., Chen, S., Petkov, P.S. et al. Two-dimensional polyaniline crystal with metallic out-of-plane conductivity. Nature (2025).
来源：朱老师讲VASP
