光電高分子材料課件

1、高分子科學(xué)與社會發(fā)展功能高分子材料信息科學(xué)中的高分子材料1功能高分子簡介功能高分子（Functional Polymers）中的“Functional (功能)”與“Performance (性能)”的詞義在英文中有很大區(qū)別。一般說來，性能是指材料對外部作用的抵抗特性。功能則是指從外部向材料輸入信號時，材料內(nèi)部發(fā)生質(zhì)和量的變化而產(chǎn)生輸出的特性。功能高分子是高分子學(xué)科中發(fā)展最快、研究最活躍的新領(lǐng)域。2功能與性能性能 定義：材料對外部作用的抵抗性能 例如，對外力的抵抗表現(xiàn)為材料的強度、模量等；對熱抵抗表現(xiàn)為耐熱性；對光、電、化學(xué)藥品的抵抗則表現(xiàn)為材料的耐光性、絕緣性、防腐蝕性等。 功能定義：指從外

2、部向材料輸入信號時，材料內(nèi)部發(fā)生質(zhì)和量的變化而產(chǎn)生輸出的特性。 例如，材料在受到外部光的輸入時，材料可以輸出電性能，稱為材料的光電功能；材料在受到多種介質(zhì)作用時，能有選擇地分離出其中某些介質(zhì)，稱為材料的選擇分離性。此外，如壓電性、藥物緩釋放性等，都屬于功能的范疇。 3功能高分子與高性能高分子功能高分子是指當(dāng)有外部刺激時，能通過化學(xué)或物理的方法做出相應(yīng)的高分子材料。 高性能高分子對外力有特別強的抵抗能力的高分子材料。從實用的角度看，對功能材料來說，人們著眼于它們所具有的獨特的功能；而對高性能材料，人們關(guān)心的是它與通用材料在性能上的差異。 4特種高分子和功能高分子是目前高分子學(xué)科中發(fā)展最快、研究最

3、活躍的新領(lǐng)域。功能高分子材料的分類力學(xué)功能材料強化功能材料，彈性功能材料化學(xué)功能材料分離功能材料，如分離膜、離子交換樹脂、高分子絡(luò)合物等反應(yīng)功能材料，如高分子催化劑、高分子試劑等生物功能材料，如固定化酶、生物反應(yīng)器等物理化學(xué)功能材料耐高溫高分子，高分子液晶等電學(xué)功能材料，如導(dǎo)電性高分子、超導(dǎo)性高分子、感電性高分子等光學(xué)功能材料，如感光性高分子、導(dǎo)光性高分子、光敏性高分子等能量轉(zhuǎn)換功能材料，如壓電性高分子、熱電性高分子等生物化學(xué)功能材料人工臟器用材料，如人工腎、人工心肺等高分子藥用材料，如藥物活性高分子、緩釋性高分子藥物生物分解材料，如可降解性高分子材料等。5功能高分子材料的發(fā)展與展望功能高分子

4、發(fā)展的背景1. 經(jīng)濟發(fā)展的需要以石油為主要原料的高分子材料成本呈直線上升，商品市場陷入極為困難的處境。在這樣的經(jīng)濟背景下，迫使人們試圖用同樣的原材料，去制備價值更高的產(chǎn)品。功能高分子在這種外部條件促使下迅速地發(fā)展了起來。2. 科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需求 8090年代，科學(xué)技術(shù)有了迅速發(fā)展。能源、信息、電子和生命科學(xué)等領(lǐng)域的發(fā)展，對高分子材料提出了新的要求。即要求高分子材料具有迄今還不曾有過的高性能和高功能，甚至要求既具有高功能亦具有高性能的高分子材料。 6功能高分子發(fā)展的背景3. 新能源的要求太陽能和氫將成為今后的主要能源。光電轉(zhuǎn)換材料就成為太陽能利用的關(guān)鍵。硅材料已進入了實用階段。然而，按現(xiàn)在的能量

5、轉(zhuǎn)換效率，對單晶硅的需要量實在太大。以日本為例，若利用太陽能達到當(dāng)前日本電力的1，就需100 的單晶硅至少2.7萬噸。這相當(dāng)于日本目前單晶硅總產(chǎn)量的90倍。為此，人們把注意力轉(zhuǎn)向可高效轉(zhuǎn)換太陽能的功能高分子材料。如換能型高分子分離膜的利用。4. 交通和宇航技術(shù)的要求既高速又節(jié)約能源是交通運輸和宇航事業(yè)迫切需要解決的課題。采用功能高分子材料，在一定程度上解決了該難題。就目前的成就來看，波音757，767飛機采用Kavlar增強材料（一種由高分子液晶紡絲而成的高強纖維增強的材料），可省油50。汽車工業(yè)采用高分子材料而實現(xiàn)輕型化，從而達到省油和高速的目的。7功能高分子發(fā)展的背景5. 微電子技術(shù)的要求

6、高度集成化是微電子工業(yè)發(fā)展的趨勢。存儲容量將從目前的16K發(fā)展到256K。此時相應(yīng)的電路細度僅為1.5m。因此，高功能的光致抗蝕材料（感光高分子）已成為微電子工業(yè)的關(guān)鍵材料之一。6. 生命科學(xué)的要求人類對生命奧秘的探索，對建立一個潔凈、安全的世界的渴望，對征服癌癥等疾病的努力，均對高分子材料提出了功能的要求。例如，生物分離介質(zhì)的研制成功，使生命組成的各種組分能得以精細地分級，對生命科學(xué)的貢獻將是十分重大的?？山到庑愿叻肿硬牧系膯柺?，將大大減緩白色公害對人類的危害。8功能高分子的發(fā)展歷程與展望最早的功能高分子可追述到1935年離子交換樹脂的發(fā)明。20世紀50年代，美國人開發(fā)了感光高分子用于印刷工

7、業(yè)，后來又發(fā)展到電子工業(yè)和微電子工業(yè)。1957年發(fā)現(xiàn)了聚乙烯基咔唑的光電導(dǎo)性，打破了多年來認為高分子材料只能是絕緣體的觀念。1966年little提出了超導(dǎo)高分子模型，預(yù)計了高分子材料超導(dǎo)和高溫超導(dǎo)的可能性，隨后在1975年發(fā)現(xiàn)了聚氮化硫的超導(dǎo)性。9功能高分子的發(fā)展歷程與展望1993年，俄羅斯科學(xué)家報道了在經(jīng)過長期氧化的聚丙烯體系中發(fā)現(xiàn)了室溫超導(dǎo)體，這是迄今為止唯一報道的超導(dǎo)性有機高分子。20世紀80年代，高分子傳感器、人工臟器、高分子分離膜等技術(shù)得到快速發(fā)展。1991年發(fā)現(xiàn)了尼龍11的鐵電性，1994年塑料柔性太陽能電池在美國阿爾貢實驗室研制成功，1997年發(fā)現(xiàn)聚乙炔經(jīng)過摻雜具有金屬導(dǎo)電性，

8、導(dǎo)致了聚苯胺、聚吡咯等一系列導(dǎo)電高分子的問世。10信息科學(xué)中的高分子材料導(dǎo)電高分子材料光敏高分子材料高分子光傳輸材料11硅的終結(jié)者：導(dǎo)電高分子材料什么是導(dǎo)電高分子？要使高分子材料導(dǎo)電就必須能模擬金屬的行為，亦即電子必須能不受原子的束縛而能自由移動，要達到此目的的第一個條件就是這個聚合物應(yīng)該具有交錯的單鍵與雙鍵，亦稱為“共軛”雙鍵。為了使共軛高分子導(dǎo)電，必須要做參雜。這和半導(dǎo)體經(jīng)過參雜后提高導(dǎo)電率類似。 12共軛高分子典型的共軛高分子包括：聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯、聚噻酚等13為什么要發(fā)展導(dǎo)電高分子普通高分子材料的靜電積聚靜電在工業(yè)生產(chǎn)中有很大的危害性。每年因靜電事故造成的損失超過百億美元。普通高

9、分子材料對電磁波的屏蔽性差，通信設(shè)備常常因電磁波的入侵造成錯誤操作。導(dǎo)電高分子的發(fā)展已遠遠超過開始的設(shè)想14導(dǎo)電高分子的發(fā)明白川英樹 Hideki Shirakawa白川1961年畢業(yè)于東京工業(yè)大學(xué)理工學(xué)部化學(xué)專業(yè)，曾在該校資源化學(xué)研究所任助教，1976年到美國賓夕法尼亞大學(xué)留學(xué)，1979年回國后到筑波大學(xué)任副教授，1982年升為教授。現(xiàn)在是日本筑波大學(xué)名譽教授。 2000年諾貝爾化學(xué)獎獲得者15導(dǎo)電高分子的發(fā)明A.Heeger希格：加州大學(xué)圣巴巴拉校區(qū)物理系及高分子暨有機固體學(xué)院院長。2000年三人因合成導(dǎo)電高分子一起獲得了諾貝爾化學(xué)獎。A.G. McDiarmid麥克戴阿密德：美國賓夕法尼

10、亞大學(xué)化學(xué)系教授。16塑料晶體管和塑料芯片英國劍橋大學(xué)的科學(xué)家利用噴墨打印技術(shù)和設(shè)備，制造出一種塑料半導(dǎo)體新材料。 Xerox 公司剛剛公布的新型有機聚合物塑料有望用于制造塑料晶體管等新型電子器件。與硅晶體管相比，塑料晶體管的好處在于成本低廉，生產(chǎn)便捷，不需要專門化的昂貴制造設(shè)備和高度潔凈的真空環(huán)境。17塑料內(nèi)存塑料內(nèi)存采用了3D存儲技術(shù)，數(shù)據(jù)被存儲在成千上萬的高分子層內(nèi)，儲存密度比硅材料高得多。新產(chǎn)品將向當(dāng)前市場上的以硅材料為主的半導(dǎo)體Flash閃存和內(nèi)存發(fā)起挑戰(zhàn) 18電子紙美國 Lucent 公司和 E Ink 公司共同開發(fā)出了“電子紙”，它可以應(yīng)用于電子書籍和電子報紙等。 19電子紙20

11、電致發(fā)光高分子材料經(jīng)過十幾年的研究，有機化合物電致發(fā)光的研究已經(jīng)取得了令人矚目的成就，有機化合物發(fā)光材料構(gòu)成的電致發(fā)光器件有著眾多的優(yōu)勢：可實現(xiàn)紅綠藍多色顯示；亮度高，無須背照明；驅(qū)動電壓低，節(jié)省能源；器件薄，可實現(xiàn)小型化；響應(yīng)時間快，顯示精度高，均遠超過液晶顯示器；壽命可達10000小時以上。有機發(fā)光材料的發(fā)光穩(wěn)定性較差，而聚合物發(fā)光二極管不僅具有小分子有機電致發(fā)光材料的特點，而且有穩(wěn)定、可彎曲、大面積、低成本的優(yōu)點，已成為全世界發(fā)光材料研究的熱點。21電致發(fā)光材料的基本原理常用于電致發(fā)光材料的聚合物包括：聚對苯乙烯、聚咔唑、聚噻酚等。空穴注入（正極）空穴遷移電子注入（負極）電子遷移電子與空

12、穴復(fù)合激子擴散激子復(fù)合電致發(fā)光輻射非輻射電致發(fā)熱22塑料顯示器英國劍橋顯示科技公司在有機發(fā)光二級管技術(shù)開發(fā)方面取得了重要進展，推出了基于導(dǎo)電樹型聚合物的14英寸全彩顯示器。23塑料顯示器下一代顯示器24聚合物太陽能電池特點：柔韌性好、成本低、重量輕25光敏高分子材料光敏高分子化學(xué)是高分子化學(xué)與光化學(xué)兩個極為重要的學(xué)科交叉的產(chǎn)物。光化學(xué)是指在光作用下發(fā)生的化學(xué)變化。光化學(xué)反應(yīng)的重要特點在于它的選擇性，反應(yīng)物分子只有吸收特定的波長的光才能發(fā)生反應(yīng)。一般化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物要通過一個能量較高的過渡狀態(tài)再生成產(chǎn)物（如爬山），與此不同，光化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)物好像是處于顛峰上的物質(zhì)，它的反應(yīng)意味著選擇下山的路線。

13、與光化學(xué)關(guān)系較為密切的是紫外光，因為陽光中紫外線的含量較少。26光固化樹脂 所謂光固化樹脂是指通過光引發(fā)聚合反應(yīng)。光固化體系一般由三個組分構(gòu)成，包括光敏引發(fā)劑、低聚物和單體（活性稀釋劑，相當(dāng)于溶劑）。光敏引發(fā)劑在紫外光照時可釋放出自由基或其它活性種，它們可以引發(fā)低聚物與單體聚合，生成交聯(lián)的高分子固體。其過程可以表示如下：PI（光敏引發(fā)劑）紫外光R*（活性種）低聚物單體R*光固化樹脂27光固化涂料涂料在為人類帶來好處的同時，也危害著人類的健康和生態(tài)環(huán)境。涂料中溶劑揮發(fā)對大氣造成的污染，僅次于汽車尾氣，居第二位。為了解決涂料的溶劑問題，有如下三條途徑。盡量減少溶劑，對涂料中溶劑的用量進行限制，使用

14、高固體組分含量的涂料。使用水性涂料，即用水代替絕大部分溶劑的涂料（乳膠漆、水溶漆）。使用無溶劑涂料，無溶劑涂料包括粉末涂料和光固化涂料。光固化涂料無溶劑的揮發(fā)，所以是一種“綠色”涂料。 28光固化涂料的應(yīng)用家具建材光固化涂料使這些木質(zhì)品具有更加美觀的光澤，更加耐磨經(jīng)用。光固化涂料已在家具、木材、地板等方面得到了廣泛的應(yīng)用。29光固化涂料的應(yīng)用30感光樹脂印刷術(shù)的發(fā)展印刷術(shù)是我國偉大的四大發(fā)明之一，大約在七世紀中國就出現(xiàn)了雕版印刷；我國宋代的畢昇發(fā)明了活字印刷術(shù)，把我國的印刷術(shù)大大地提高了一步；1445 年德國公藤保發(fā)明了金屬鑄造活字印刷。這種鑄造鉛字的熱排凸印一直沿用至今。鉛字熱排系統(tǒng)費時，鉛

15、的毒性、污染和排版的繁重勞動已與現(xiàn)代信息社會不相適應(yīng)。 31照相制版術(shù)感光樹脂版 照相制版術(shù)是照相術(shù)應(yīng)用于印刷制版之產(chǎn)物。主要包括照相銅版和照相鋅版，習(xí)慣上合稱銅鋅版。由法國人M.Cillot發(fā)明于1855年。 這種技術(shù)是將抗酸的瀝青涂在銅板上，放進照相機后經(jīng)一系列操作得到了凹凸的圖像。 32膠印PS版技術(shù)現(xiàn)在有四種主要印刷方式：凸版印刷、平版印刷、凹版印刷和絲網(wǎng)印刷。下面簡單介紹一下膠印PS版制版的原理。 膠印PS版（預(yù)涂版），即預(yù)先涂布好的感光樹脂的板材，由感光層和版基組成。版基中常用的是鋁板，感光層一般只有幾個微米厚。在預(yù)涂版上加上圖文的底片，然后用紫外燈照射曝光，由于光化學(xué)反應(yīng)，感光層

16、的溶解性能便會明顯變化，從而得到圖像。33感光樹脂的發(fā)展感光樹脂最早使用的是瀝青，但瀝青的光敏性較差，制作一張版往往需要數(shù)小時的曝光時間。 G. Sakow發(fā)現(xiàn)了重鉻酸鹽具有光敏性，將重鉻酸鹽和阿拉伯膠、明膠、蛋白等天然高分子物質(zhì)混合便可得感光性的樹脂。由于重鉻酸鹽體系的光敏性要比瀝青高的多，照相制版技術(shù)由此得到了迅速發(fā)展。近百年來重鉻酸鹽感光材料一直占據(jù)統(tǒng)治地位，至今重鉻酸光敏體系仍在使用。但這種光敏體系含有鉻鹽，對人體有害，污染環(huán)境，而且保存性差，限制了它的發(fā)展。 34新型感光樹脂進入20世紀，科學(xué)家研制出了許多新的感光高分子材料。如50年代美國柯達公司開發(fā)的聚乙烯醇肉桂酸酯感光樹脂。此外

17、，還發(fā)展有重氮鹽感光樹脂。有重氮鹽的高分子在水里是可以溶解的，但發(fā)生光化學(xué)反應(yīng)后，重氮鹽分解放出氮氣，生成極性很小的以共價鍵相連的基團，使樹脂變成水不溶的。除重氮鹽外，另一種重氮感光樹脂是含有鄰醌重氮基團的高分子。這種高分子不溶于堿水，鄰醌重氮基在光照下發(fā)生光解反應(yīng)，轉(zhuǎn)變成羧基，從而可使高分子變成堿水可溶解的，被堿水（如氫氧化鈉溶液）洗掉，而未經(jīng)光照的部分則可以保留。35激光照排目前，印刷技術(shù)已經(jīng)從照相制版發(fā)展到激光直接制版（激光照排）。這種制版方法是由計算機控制，采用激光為光源，不用底片直接在PS版材上曝光完成。由于激光器根據(jù)計算機的控制直接在感光性樹脂印版表面逐點掃描曝光，所以它要求感光樹

18、脂更敏感性能更好。 36印刷電路感光材料在印刷上的使用不僅使印刷技術(shù)起了革命性的變化，它還引起了電子工業(yè)上的一場革命。這場革命有兩個內(nèi)容，其中之一就是印刷電路的問世。印刷電路，顧名思義，便是通過印刷的辦法將電路布置到了基版上，這就是印刷布線法。 37感光樹脂的應(yīng)用印刷電路印刷電路板，又稱PCB（Printed circuit board），目前已廣泛應(yīng)用在電子電器中。38計算機和集成電路 集成電路的制備技術(shù)即微電子技術(shù)，是感光材料在印刷上的使用引起的電子工業(yè)革命的另一個內(nèi)容。集成電路就是利用照相制版技術(shù)，制備電路（晶體管、電阻、電容、導(dǎo)線）的技術(shù)。新芯片構(gòu)思與設(shè)計。光刻技術(shù)：用掩膜（底片）在晶

19、片上制成芯片。將晶片進行摻雜或其他處理。將晶片破碎成單個的小方片，即芯片。用微細探針進行試驗，去除有缺陷的芯片。將合格芯片封裝成常見的多足蟲狀小包。 39集成電路的制造方法首先在硅片上氧化或沉積一層二氧化硅，然后涂布一層光敏高分子材料。烘干后加一塊有電路圖形的掩模（即底片），并用紫外光曝光。烘干后用氫氟酸將裸露二氧化硅腐蝕掉。最后除去殘留的光刻膠。于是硅片上便得到一個與掩模一致或相反的圖形。通過在裸露的硅面上進行離子注入、擴散摻雜或金屬化便可在硅片上制出集成電路。 40集成電路集成電路是通過反復(fù)光刻制得的。指甲蓋大小的芯片上往往集成了幾千萬個器件。這些芯片的制作只能靠光敏高分子與光刻完成。41

20、立體光刻技術(shù)立體光刻使用無溶劑的光固化樹脂液體，通過激光束層層掃描，固化感光高分子化合物（層添加法），是一種立體的制造技術(shù)。機械工業(yè)上制備鑄型、金型的原形；制造工藝品；制備實驗?zāi)Ｐ停辉卺t(yī)學(xué)上用于復(fù)制人體器官、骨影模型。 42塑料光存儲設(shè)備目前，采用聚酯塑料的閃存已被成功開發(fā)出來。塑料閃存具有非常高的性價比：成本只有當(dāng)前同類產(chǎn)品的 1/10。43全塑光纜高分子光傳輸材料1970年美國康寧公司研制出石英玻璃光導(dǎo)纖維，同年貝爾又試制成半導(dǎo)體激光器，這兩項新技術(shù)的結(jié)合，開創(chuàng)了光信息傳輸?shù)男聲r代。玻璃光纖具有傳輸帶寬大、損耗低、抗電磁干擾、節(jié)約能源的優(yōu)點。44典型的玻璃光纜結(jié)構(gòu)玻璃光纖的致命弱點就是強度低，抗撓曲性能差，