10 nm傅里叶红外光谱，无损解析导电聚合物，助力Nature 正刊等标志性成果！
发布日期：2026-07-20
导语
导电聚合物自 1970 年代问世并斩获 2000 年诺贝尔化学奖以来，凭借轻质、柔性、易加工、导电性可调及生物相容性等优势，在柔性电子、有机电子、能源材料、生物传感等领域具备巨大应用潜力。但四十余年产业化进程中，材料本征缺陷与传统表征手段的局限性，长期制约其机理研究与器件性能迭代。常规电学测试存在接触损伤、空间分辨率不足、无法同步关联化学组分与导电特性等问题，而基于散射型近场扫描光学显微镜（s-SNOM）的 Nano-FTIR 纳米傅里叶变换红外光谱技术，突破光学衍射极限，以10 nm 级超高空间分辨率、无损检测等优势，成为导电聚合物纳米尺度微观机理研究的难以替代的表征工具，多项《Nature》《Polymer》高水平成果均依托 Neaspec 纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR完成关键数据验证。
导电聚合物研发的传统表征瓶颈：
迁移率低：传统导电聚合物多为无定形或半结晶结构，载流子在分子链间跳跃传输，迁移率普遍低于1 cm²/V·s，比硅（>1000）低3-4个数量级。
各向异性：高分子链方向上导电性好，垂直方向几乎是绝缘体。“面内导电、面外绝缘”的特征让器件集成、层间互联举步维艰。
表征困难：薄膜样品往往只有几十到几百纳米厚，无法用四探针法或霍尔效应常规测量；接触式测量还会破坏样品。
Nano-FTIR 核心技术优势
Nano-FTIR 依托 s-SNOM 近场光学技术，将红外化学识别能力与 AFM 纳米空间分辨能力深度融合，针对性解决导电聚合物表征难题，核心技术亮点如下：
10 nm 高空间分辨率的化学识别，可以在纳米尺度下实现对几乎所有材料的化学分辨；
与传统FTIR光谱一致的测量结果，可直接对照传统IR光谱数据库；
可兼容可见、红外和THz激发波长激光，完整覆盖 Drude 拟合所需全中红外光谱区间；
支持原位液相、变温环境模块，可模拟器件真实工作环境开展动态无损表征；
适用于同步辐射红外光源；
与散射式近场光学（s-SNOM）和 AFM-IR / PTE+等测量模式兼容。
Neaspec 纳米傅里叶红外光谱仪-Nano-FTIR
两大经典导电聚合物前沿案例
1）Nano-FTIR量化二维聚苯胺的金属导电性
聚苯胺（PANI）是最早被工业化应用的导电聚合物之一，被广泛用于抗静电涂层、防腐颜料和柔性电极。然而，传统的PANI是一维链状结构，链与链之间靠范德华力松散堆叠，电子在链间跳跃的阻力极大。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所、德累斯顿工业大学、德国马普高分子研究所、西班牙CIC nanoGUNE-BRTA研究中心等研究团队提出了一个创新思路：通过界面聚合方法在水-有机溶剂的界面上让苯胺单体按预设方向连接，长出一片片厚度仅200 nm、直径约10 μm的二维单晶薄片，让苯胺单体在二维平面上「肩并肩」连接，形成像瓷砖一样的二维晶格，希望让载流子在面外方向上也畅通无阻。但他们得到了一个完全反直觉的结果：在面内方向（in-plane）的导电率与传统PANI接近，并不出众；但垂直方向（out-of-plane）的导电率，有显著提升，随着温度降低，垂直方向的导电性反而上升，表现出典型的金属型。这是首次在有机聚合物晶体中观测到面外金属导电性[1]。
这一成果于2025年发表在《Nature》正刊上（Nature, 2025, 638, 411-417），研究依托neaspec的Nano-FTIR获得关键验证，测量2D-PANI薄片表面的近场振幅s(ω)和相位φ(ω)，反演出该点的介电函数ε(ω)，再拟合Drude模型。
自由载流子（电子、空穴）会引起强烈的光吸收，Nano-FTIR和THz光谱利用Drude模型拟合近场幅度谱和相位谱，推算出导电率约为200 S cm-1。同时，垂直微器件表现出该材料随温度降低而导电性增强的特性，证明其独特的面外金属性电荷传输行为。
图1 利用太赫兹、红外纳米光谱及微器件研究二维聚苯胺电学性质
通过导电AFM测量垂直及横向微器件中的电荷传输行为发现，该材料具备约7 S cm-1的面外电导率和约16 S cm−1的面内电导率，展现出PANI各项异性的三维电荷传输特性。
因此，优化多层堆叠的二维导电聚合物的结构缺陷，有望实现更强的面内与面外电子耦合甚至可能达到三维金属导电性水平。这一成果为导电聚合物材料在电极材料、电磁屏蔽、传感器等领域的潜在应用打下了基础。
2）PEDOT:PSS的透视眼——Nano-FTIR
PEDOT:PSS是过去20年里柔性电子领域的常青树，它是透明电极、有机太阳能电池、电致变色窗、生物传感器等器件中最常用的导电聚合物之一，但工业界对PEDOT:PSS一直有一个头疼的问题：PEDOT:PSS薄膜经常被一层介电层（如PMMA、PSS富集相）覆盖，如何在不破坏器件的前提下，定量测量底下PEDOT畴的导电性？
2022年，Mester与Hillenbrand在《Polymer》期刊发表论文，利用THF溶剂蒸气退火，使PEDOT:PSS表面发生自组织微纳结构化和垂直相分离：形成约30 nm厚、低导电的中性PEDOT⁰富集表层，而薄膜内部仍保持原有导电性，从而实现对表面形貌、组分及电输运性质的同步调控。实验中巧妙地结合AFM形貌、C-AFM电学、PF-QNM纳米力学、nano-FTIR化学电学四模联合表征，成功破解了PEDOT:PSS表面纳米相分离的化学-电学之谜。
研究团队用C-AFM对PEDOT:PSS-LT表面进行纳米电学表征，发现上层不导电，下层导电。为了确认上层只是覆盖在表面而非穿透整膜，研究团队做了一个巧妙的纳米压痕实验：在表面某一点逐渐增加探针压力，当压力超过~300 nN时，I-V曲线突然从介电性变为线性导电（R = 2.3 MΩ），对应的压痕深度恰好是~40 nm——上层厚度。这证实了：上层只是一层~30 nm厚的薄覆盖层，下方的PEDOT:PSS体积仍然导电。
C-AFM给出了「上层介电、下层导电」的电学分布，但无法回答：上层到底是什么化学组分？是纯PSS？还是PEDOT的某种特殊形态？通过水洗、力学、电学和nano-FTIR的近场光可以探测到下方导电的PEDOT:PSS区域。
图2的nano-FTIR结果显示，上、下层具有不同的红外近场响应。下层表现出明显的自由载流子Drude响应；上层信号较弱。由于表层只有约30 nm厚，nano-FTIR的近场仍然会穿透并感受到下方导电层，因此上层谱中还会残留一定的Drude特征。因此，作者用“薄介电层覆盖Drude导电层”的模型能够解释实验光谱。
图2 PEDOT:PSS-LT的nano-FTIR电子传输特性分析
基于PEDOT⁰表面层可调功函数和空穴传输性质，这对OLED寿命研究、有机太阳能电池衰减机理、柔性传感器失效分析，都有直接价值。
参考文献：
[1] T. Zhang, S. Chen et al., "Two-dimensional polyaniline crystal with metallic out-of-plane conductivity," Nature, vol. 638, pp. 411-417, 2025.
[2] M. Sanviti, L. Mester et al., "Solvent-structured PEDOT:PSS surfaces: Fabrication strategies and nanoscale properties," Polymer, vol. 246, p. 124723, 2022.
