研究人员阐明了新时代软半导体的内部工作原理

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前景最光明的材料类别之一。这些柔软、灵活的聚合物半导体具有良好的电化学特性，但人们对其分子微结构以及电子如何在其中移动知之甚少——这是一个重要的知识空白，需要填补这一空白才能将 OMIEC 推向市场。

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，该技术可以与生物分子等软性、所谓的“光束敏感”材料配合使用，以更清楚地了解 OMIEC 的结构内部工作原理以及它们为何具有如此良好的电化学特性。

就像汽车电池中的水一样，液体电解质被注入 OMIEC 聚合物层之间。电解质是离子在正极和负极之间移动并产生电流的介质。

“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。我们了解到，聚合物材料的长分子链能够拉伸并轻轻弯曲，形成一条连续的路径，即使材料因电解质而膨胀 300% 也是如此，”工程学院 Hong Seh 和 Vivian WM Lim 教授、发表在《自然材料》杂志上的论文的资深作者 Alberto Salleo 说道。

“这项研究代表了可视化这些材料的微观结构的概念突破。以前我们只能进行理论研究，现在我们可以看到是什么让 OMIEC 如此有效，”Salleo 实验室的博士后学者、论文第一作者 Yael Tsarfati 说道，他进行了大部分电子显微镜观察。“了解材料在结构层面的工作原理是设计出更好材料的关键。”

难以捉摸的过程

Salleo 和 Tsarfati 已经从事这项研究三年了。他们是第一批使用低温电子显微镜 (Cryo 4D-STEM) 对浸泡在水性电解质中且带有电荷的 OMIEC 聚合物进行成像的人。这种显微镜使用强大的电子束(而不是光)来成像，并且要求样品极冷，以防止电子损坏材料。

Salleo 表示，浸泡和带电的双重应力会导致聚合物结构发生复杂但重要的变化。可视化聚合物在这些应力下如何保持其性能是一个让业界着迷的谜题。但用传统电子显微镜对这些聚合物进行成像一直是一个挑战。

如果 OMIEC 是固体半导体，研究人员会迅速转向电子显微镜来研究其晶体结构。但 OMIEC 非常柔软，用于照亮其内部结构的强电子束会在观察过程中损坏它们。

利用这种新颖的显微镜技术，Salleo 和 Tsarfati 现在可以看到这种柔软、可塑的聚合物在膨胀时如何保持其结构完整性。该团队现在认为，OMIEC 的柔软液晶聚合物结构可以拉伸和弯曲，从而在折叠的聚合物带之间形成的电解质气泡周围形成连续的电子路径。

柔软触感

从本质上讲，Cryo 4D-STEM 会在研究过程中冻结材料。电解质不会像水变成冰那样变成固体。相反，它会进入一种不同的玻璃化状态，让 Salleo 和团队能够看到运行中的微观结构。

“这种聚合物形成了一种可以弯曲和拉伸的凝胶，”Salleo 解释道。“它可以膨胀很多，有时膨胀 300%，这会彻底破坏大多数材料的电子特性。但在 OMIEC 中，电子特性仍然保留。”

Tsarfati 指出，一旦膨胀，聚合物链的结构变化就会降到最低，即使在充电和放电过程中也是如此。这可以实现更高效的离子交换，同时材料本身的应变最小，从电子角度来看，OMIEC 极具吸引力。

Tsarfati 补充道：“与我们研究过的其他材料相比，这些聚合物对物理变化和离子插入表现出了令人印象深刻的弹性，这是未来电子产品所期望的特性”，为该团队的研究指明了新的方向。

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