Forskare vid Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) vid TU Dresden har för första gången lyckats syntetisera arkliknande 2D-polymerer genom en bottom-up-process. En ny syntetisk reaktionsväg utvecklades för detta ändamål. 2D-polymererna består av endast ett fåtal enstaka atomlager och, på grund av deras mycket speciella egenskaper, är ett lovande material för användning i elektroniska komponenter och system av en ny generation. Forskningsresultatet är ett samarbete mellan flera grupper vid TU Dresden och Ulm University och publicerades denna vecka i två relaterade artiklar i de vetenskapliga tidskrifterna Naturkemi och Naturkommunikation .

Ända sedan Hermann Staudinger upptäckte de linjära polymererna 1920, det har varit en dröm för syntetiska forskare att utöka polymerisationen till den andra dimensionen. En tvådimensionell (2-D) polymer är en arkliknande monomolekylär makromolekyl som består av lateralt förbundna upprepade enheter med ändgrupper längs alla kanter. Med tanke på den enorma kemiska och strukturella mångfalden av byggstenarna (d.v.s. monomerer), 2D-polymerer lovar mycket i den rationella materialdesignen skräddarsydd för nästa generations applikationer, såsom membranseparation, elektronik, optiska enheter, energilagring och omvandling, etc. Emellertid, trots den enorma utvecklingen inom syntetisk kemi under det senaste århundradet, syntesen nerifrån och upp av 2D-polymerer med definierade strukturer är fortfarande en formidabel uppgift.

Sedan 2014, en grupp forskare från Technische Universität Dresden och Universität Ulm gick samman för att nå detta spännande men utmanande mål. Forskargruppen ledd av Prof. Dr. Xinliang Feng (TU Dresden) utvecklade innovativt en ny syntetisk väg:att använda ytaktivt monolager som en mjuk mall för att styra den supramolekylära organisationen av monomerer och den efterföljande 2D-polymerisationen vid ett luft-vattengränssnitt. Denna syntetiska metodik benämns nu som surfaktant-monolager-assistant interfacial synthesis (SMAIS). Genom att använda SMAIS-metoden, Dr. Tao Zhang syntetiserade kristallina kvasi-2-D polyanilinfilmer med lateral storlek ~50 cm ² och avstämbar tjocklek (2,6-30 nm).

De överlägsna laddningstransportegenskaperna och kemiresistiviteten mot ammoniak och flyktiga organiska föreningar gör kvasi-2-D polyanilinfilmerna som lovande elektroaktiva material för organisk tunnfilmselektronik. För att ytterligare utforska potentialen hos SMAIS, Mr Kejun Liu, Dr Tao Zhang, Dr. Zhikun Zheng och Dr. Renhao Dong uppnådde kontrollerad syntes av högkristallin få-lagers 2-D polyimid och polyamid för första gången. 2D-polymererna har en tjocklek på bara några nanometer och kan lätt överföras till godtyckliga substrat, öppnar upp spännande möjligheter för integrering av 2D-polymerer i nästa generations enheter och system.

Tillsammans med den avgörande utvecklingen på syntesfronten, transmissionselektronmikroskopigruppen ledd av prof. Dr. Ute Kaiser (Uni Ulm) var en annan oumbärlig pelare i den gemensamma forskningen. Sedan utvecklingen av aberrationskorrigering, Högupplöst TEM-avbildning har varit en kraftfull teknik för strukturell karaktärisering ner till atomär skala. Än, väteinnehållande organiska material är extremt benägna att strukturellt sönderfalla under elektronstrålen, vilket gör HRTEM-avbildning av 2D-polymerer till ett mycket krävande uppdrag. Genom att använda den sfäriska aberrationskorrigerade HRTEM, Dr. Haoyuan Qi har framgångsrikt reda ut mikromorfologin, molekylära strukturer, korngräns och kantstrukturer, av de syntetiska 2-D-polymererna:en prestation som sällan rapporteras i litteraturen.

De molekylära strukturerna och den övergripande kristalliniteten har belysts ytterligare via synkrotronbetesförekomst röntgenspridning (cfaed Chair for Organic Devices, Prof. Dr. Stefan Mannsfeld, TU Dresden). Gruppen av Prof. Dr. Thomas Heine (TU Dresden) gav täthetsfunktionella tätt bindande beräkningar som ger betydande insikter i de atomistiska strukturerna hos de syntetiska 2D-polymererna.