導電高分子材料【推薦-】

1、導電高分子材料148寢室徐勤富 王加杰 頃文飛 陳健塑料如何能變得導電？塑料根本上是聚合物，就好象珍珠項鏈一般具有長鏈而且以固定的單元不斷重復的結構，當它要變得能導電時就必須能仿真金屬的行為，亦及電子必須能不受原子的束縛而能自由移動，要到達此目的的第一個條件就是這個聚合物應該具有交錯的單鍵與雙鍵，亦稱為共軛的雙鍵，透過乙炔所聚合而得的聚乙炔不過，具有共軛雙鍵的長鏈并缺乏以造成它的導電，要能導電必須對這種塑料動點手腳，一那么將部份電子移出，一那么參加一些電子，這種過程稱為摻雜如以下圖的小游戲提供一個簡單的模型來說明一個摻雜的聚合物發(fā)生的狀況，如果不是因為其中有一個空洞，整個數(shù)字盤中的數(shù)字方塊就無

2、法移動，在摻雜過的導電塑料中也如這個游戲一般，想象每一個數(shù)字方塊就好象是一個電子，由于有一個空洞的存在，電子就能夠在其中順利的移動，當然這個模型是過度簡化的導電高分子材料的導電機理半導體到導體的實現(xiàn)途徑摻雜(doping) 在共軛有機分子中電子是無法沿主鏈移動的，而電子雖較易移動，但也相當定域化，因此必需移去主鏈上局部電子(氧化)或注入數(shù)個電子(復原)，這些空穴或額外電子可以在分子鏈上移動，使此高分子成為導電體。導電高分子材料的導電機理導電高分子材料的摻雜途徑氧化摻雜 (p-doping): CHn + 3x/2 I2 CHnx+ + x I3-復原摻雜 (n-doping): CHn + x

3、 Na CHnx- + x Na+ 添補后的聚合物形成鹽類，產生電流的原因并不是碘離子或鈉離子而是共軛雙鍵上的電子移動。導電高分子材料的導電機理導電高分子材料的共同特征交替的單鍵、雙鍵共軛結構 聚乙炔由長鏈的碳分子以sp2鍵鏈接而成，每一個碳原子有一個價電子未配對，且在垂直于sp2面上形成未配對鍵。其電子云互相接觸，會使得未配對電子很容易沿著長鏈移動，實現(xiàn)導電能力。導電高分子材料的導電機理摻雜導電高分子材料的導電機理 碘分子從聚乙炔抽取一個電子形成I3，聚乙炔分子形成帶正電荷的自由基陽離子，在外加電場作用下雙鍵上的電子可以非常容易地移動，結果使雙鍵可以成功地延著分子移動，實現(xiàn)其導電能力。200

4、0年諾貝爾化學獎得主美國物理學家Heeger 美國化學家MacDiarmid 日本化學家Shirakawa G. MacDiarmid H.Shirakawa J.Heeger世界上第一種導電聚合物：摻雜聚乙炔1977年，美國化學家MacDiarmid，物理學家Heeger和日本化學家Shirakawa首次發(fā)現(xiàn)摻雜碘的聚乙炔具有金屬的特性 。并因此獲得2000年諾貝爾化學獎一 材料導電能力的差異與原因電導率材料導電能力的差異與原因能帶間隙 (Energy Band Gap) 金屬之Eg值幾乎為0 eV ，半導體材料Eg值在1.03.5 eV之間，絕緣體之Eg值那么遠大于3.5 eV。 四 高分

5、子材料導電能力的影響因素導電高分子材料聚乙炔的電導率摻雜方法摻雜劑電導率，S/m未摻雜型順式聚乙炔反式聚乙炔1.71074.4 103 p摻雜型（氧化型）碘蒸汽摻雜五氟化二砷摻雜高氯酸蒸汽電化學摻雜5.5104 1.210551031105 n摻雜型（還原型）萘基鉀摻雜萘基鈉摻雜2104103104高分子材料導電能力的影響因素摻雜率對導電高分子材料導電能力的影響 摻雜率小時，電導率隨著摻雜率的增加而迅速增加；當?shù)竭_一定值后，隨摻雜率增加的變化電導率變化很小，此時為飽和摻雜率。高分子材料導電能力的影響因素共軛鏈長度對導電高分子材料導電能力的影響 電子運動的波函數(shù)在沿著分子鏈方向有較大的電子云密度

6、，并且隨著共軛鏈長度的增加，這種趨勢更加明顯，導致聚合物電導率的增加。高分子材料導電能力的影響因素溫度對導電高分子材料導電能力的影響 對金屬晶體，溫度升高引起的晶格振動阻礙其在晶體中的自由運動；而對于聚乙炔，溫度的升高有利于電子從分子熱振動中獲得能量，克服其能帶間隙，實現(xiàn)導電過程。導電高分子材料的研究進展 1974年日本筑波大學H.Shirakawa在合成聚乙炔的實驗中，偶然地投入過量1000倍的催化劑，合成出令人興奮的有銅色的順式聚乙炔薄膜與銀白色光澤的反式聚乙炔。 Ti(OC4H9)4Al(C2H5)3HCCH1000 倍催化劑溫度108107 S/m103102 S/m導電高分子材料的發(fā)

7、現(xiàn)導電高分子材料的研究進展 1975年，G. MacDiarmid 、 J.Heeger與H.Shirakawa合作進行研究，他們發(fā)現(xiàn)當聚乙炔曝露于碘蒸氣中進行摻雜氧化反響(doping)后，其電導率令人吃驚地到達3000S/m。聚乙炔的摻雜反響導電聚合物是由具有共軛鍵的聚合物經(jīng)過化學或電化學的摻雜而形成的導電聚合物除了具有高分子聚合物的一般的結構特點外還含有一價的對陰離子P型摻雜或對陽離子N型摻雜導電聚合物最引人注目的一個特點是其電導率可以在絕緣體半導體金屬態(tài)10-9到105s/cm較寬的范圍里變化。這是目前其他材料所無法比較的導電高分子的主要類型：除了最早的聚乙炔PA外，主要有聚吡咯(PP

8、Y)、聚噻吩(PTH)、聚對苯乙烯(PPV)、聚苯胺(PANI)以及他們的衍生物其中聚苯胺結構多樣、摻雜機制獨特、穩(wěn)定性高技術應用前景廣泛，在目前的研究中備受重視其中聚乙炔的所能到達的電導率在已發(fā)現(xiàn)的導電聚合物中是最高的，到達了105S/cm量級，接近Pt和Fe的室溫電導率 其它導電高分子材料導電高分子材料的研究進展 與聚乙炔相比，它們在空氣中更加穩(wěn)定，可直接摻雜聚合，電導率在104S/m左右，可以滿足實際應用需要。導電高分子的摻雜與無機半導體的摻雜的比照無機半導體中的摻雜導電高分子中的摻雜本質是原子的替代 是一種氧化還原過程摻雜量極低（萬分之幾） 摻雜量一般在百分之幾到百分之幾十之間 摻雜劑

9、在半導體中參與導電 只起到對離子的作用，不參與導電 沒有脫摻雜過程 摻雜過程是完全可逆的 目前摻雜的方式主要有兩種 ：氧化復原摻雜 ：可通過化學或電化學手段來實現(xiàn) 。化學摻雜會受到磁場的影響 遺憾的是目前為止還沒有發(fā)現(xiàn)外加磁場對聚合物的室溫電導率有明顯的影響質子酸摻雜 ：一般通過化學反響來完成，近年發(fā)現(xiàn)也可通過光誘導施放質子的方法來完成 還有摻雜脫摻雜再摻雜的反復處理方法，這種摻雜方法可以得到比一般方法更高的電導率和聚合物穩(wěn)定性 聚合物的摻雜過程直接影響導電聚合物導電能力，摻雜方法和條件的不同直接影響到導電聚合物的物理化學性能分子導電高分子的導電是在一個分子鏈上實現(xiàn)的 適當?shù)乜刂品肿渔湹慕Y構，

10、或者改變它的局部環(huán)境，一個分子的各個區(qū)域可能具有不同的導電行為 有可能制成“分子導線、“分子電路和“分子器件 導電高分子材料的應用導電聚合物特殊的結構以及優(yōu)異的物理化學性能，使得其在能源二次電池、太陽能電池、固體電池，光電器件，晶體管，鎮(zhèn)流器，發(fā)光二極管LED，傳感器氣體和生物,電磁屏蔽，隱身技術以及生命科學等方面都有誘人的應用前景結構性導電高分子材料的用途應用領域或有用的效用實例電子電導電加熱元件的撓性導體，電磁屏蔽材料，抗靜電材料電極燃料電池，光化學電池，傳感器，心電圖儀邊界層效應選擇性透過膜，離子交換劑，醫(yī)藥控制釋放電子學分子電子學，發(fā)光二極管，數(shù)據(jù)存儲，改良場效應晶體管光學電致變色顯示

11、器，非線性光學材料，濾光片電致伸縮效應微觸動器五 導電高分子材料的應用半導體/導體/可逆摻雜半導體特性的應用發(fā)光二極管 利用導電高分子與金屬線圈當電極，半導體高分子在中間，當兩電極接上電源時，半導體高分子將會開始發(fā)光。比傳統(tǒng)的燈泡更節(jié)省能源而且產生較少的熱，具體應用包括平面電視機屏幕、交通信息標志等。導電高分子材料的應用半導體特性的應用太陽能電池 導電高分子可制成太陽電池，結構與發(fā)光二極管相近，但機制卻相反，它是將光能轉換成電能。 優(yōu)勢在于廉價的制備本錢，迅速的制備工藝，具有塑料的拉伸性、彈性和柔韌性 。導電高分子材料的應用導體特性的應用抗靜電 理想的電磁屏蔽材料，可以應用在計算機、電視機、起

12、搏器等電磁波遮蔽涂布 能夠吸收微波，因此可以做隱身飛機的涂料 防蝕涂料 能夠防腐蝕，可以用在火箭、船舶、石油管道等 導電高分子材料的應用電化學摻雜/去摻雜之可逆性的應用電變色組件 共軛高分子在電化學氧化復原時都會產生變色現(xiàn)象。電變色性在汽車防眩后視鏡、光信息儲存組件、太陽眼鏡、軍事用途護目鏡、飛機駕駛艙遮篷及智能窗等可控制電變色性質的應用上具有極大的開展?jié)摿?。導電高分子材料的應用電化學摻雜/去摻雜之可逆性的應用可反復充放電電池 導電高分子電極與對應電極及電解質構成一個蓄有電能的電池，假設加電場而摻雜充電，加負載而去摻雜放電，該充電/放電過程為可逆反響。具有價廉、能量密度高、循環(huán)壽命長、和低自身

13、放電等優(yōu)點。 導電高分子材料的應用電化學摻雜/去摻雜之可逆性的應用氣體檢測器 檢測的氣體包括氧化性氣體與復原性氣體，氧化性氣體在高分子薄膜內將導電高分子氧化，形成陰離子摻雜，增加導電度；復原性氣體在高分子薄膜內那么會將導電高分子復原，形成陽離子摻雜，降低導電度。因為其對電信號的變化非常敏感，因此可以用做檢測器。 總結導電高分子材料的優(yōu)越性 具有半導體及導體雙重特性，可低溫加工、可大面積化、具有塑料的拉伸性、彈性和柔韌性等，所以制作本錢低，組件特性優(yōu)越，對未來電子及信息工業(yè)將產生巨大影響。 導電高分子材料面臨的挑戰(zhàn) 綜合電學性能與銅相比還有差距，理論上還沿用無機半導體理論和摻雜概念；導電聚合物的

14、自構筑、自組裝分子器件的研究也存在很多問題；加工性能和力學性能以及穩(wěn)定性上也需要改進。謝謝kDX6qK%dwQ+jCW6pJ$cvP-iBV5oI!buO)hBU4nH#atN(gAT3mGZ9sM(fzS2lFY8rL*eyR1kEX7qK&dxQ0jDW6qJ%cwP+iCV5pI$bvO-hBV4oH!auN)gAU3nG#9tM(gzT2mFZ8sL*fyS1lEY7rLM*fyS2lFY8rL&eyR1kEX7qK%dxQ0jDW6pJ%cwP+iCV5oI$bvO-hBU4oH!auN)gAT3nG#9tM(fzT2mFZ8sL*eyS1lEY7rK&dxR0kDX6qJ%dwQ+

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