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第五章 导电高分子 1. 概述 1.1 导电高分子的基本概念 物质按电学性能分类可分为绝缘体、半导体、 导体和超导体四类。高分子材料通常属于绝缘体的 范畴。但1977年美国科学家黑格（A.J.Heeger）、 麦克迪尔米德（A.G. MacDiarmid）和日本科学家 白川英树（H.Shirakawa）发现掺杂聚乙炔具有金 属导电特性以来，有机高分子不能作为导电材料的 概念被彻底改变。 导电性聚乙炔的出现不仅打破了高分子仅为绝 缘体的传统观念，而且为低维固体电子学和分子电 子学的建立打下基础，而具有重要的科学意义。上 述三位科学家因此分享2000年诺贝尔化学奖。 黑格小传 麦克迪尔米德小传 白川英树小传 第五章 导电高分子 所谓导电高分子是由具有共轭π键的高分子经 化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一 类高分子材料。它完全不同于由金属或碳粉末与高 分子共混而制成的导电塑料。 通常导电高分子的结构特征是由有高分子链结 构和与链非键合的一价阴离子或阳离子共同组成。 即在导电高分子结构中，除了具有高分子链外，还 含有由“掺杂”而引入的一价对阴离子（p型掺杂） 或对阳离子（n型掺杂）。 第五章 导电高分子 导电高分子不仅具有由于掺杂而带来的金属特 性（高电导率）和半导体（p和n型）特性之外，还 具有高分子结构的可分子设计性，可加工性和密度 小等特点。为此，从广义的角度来看，导电高分子 可归为功能高分子的范畴。 导电高分子具有特殊的结构和优异的物理化学 性能使它在能源、光电子器件、信息、传感器、分 子导线和分子器件、电磁屏蔽、金属防腐和隐身技 术方面有着广泛、诱人的应用前景。 第五章 导电高分子 导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研 究热点。经过近三十年的研究，导电高分子无论在 分子设计和材料合成、掺杂方法和掺杂机理、导电 机理、加工性能、物理性能以及应用技术探索都已 取得重要的研究进展，并且正在向实用化的方向迈 进。本章主要介绍导电高分子的结构特征和基本的 物理、化学特性，并评述导电高分子的重要的研究 进展。 第五章 导电高分子 1.2 材料导电性的表征 根据欧姆定律，当对试样两端加上直流电压V 时，若流经试样的电流为I，则试样的电阻R为： 电阻的倒数称为电导，用G表示： 第五章 导电高分子 电阻和电导的大小不仅与物质的电性能有关， 还与试样的面积S、厚度d有关。实验表明，试样的 电阻与试样的截面积成反比，与厚度成正比： 同样，对电导则有： 第五章 导电高分子 上两式中，ρ称为电阻率，单位为（Ω·cm）， σ称为电导率，单位为（Ω-1·cm-1）。 显然，电阻率和电导率都不再与材料的尺寸有 关，而只决定于它们的性质，因此是物质的本征参 数，都可用来作为表征材料导电性的尺度。 在讨论材料的导电性时，更习惯采用电导率来 表示。 第五章 导电高分子 材料的导电性是由于物质内部存在的带电粒子 的移动引起的。这些带电粒子可以是正、负离子， 也可以是电子或空穴，统称为载流子。载流子在外 加电场作用下沿电场方向运动，就形成电流。可 见，材料导电性的好坏，与物质所含的载流子数目 及其运动速度有关。 第五章 导电高分子 假定在一截面积为S、长为l的长方体中，载流 子的浓度（单位体积中载流子数目）为N，每个载 流子所带的电荷量为q。载流子在外加电场E作用 下，沿电场方向运动速度（迁移速度）为ν，则单 位时间流过长方体的电流I为： 第五章 导电高分子 而载流子的迁移速度ν通常与外加电场强度E 成正比： 式中，比例常数μ为载流子的迁移率，是单位 场强下载流子的迁移速度，单位为（cm2·V-1·s-1）。 结合式（5—2），（5—4），（5—5）和（5— 6），可知 第五章 导电高分子 当材料中存在n种载流子时，电导率可表示为： 由此可见，载流子浓度和迁移率是表征材料导 电性的微观物理量。 第五章 导电高分子 材料的导电率是一个跨度很大的指标。从最好 的绝缘体到导电性非常好的超导体，导电率可相差 40个数量级以上。根据材料的导电率大小，通常可 分为绝缘体，半导体、导体和超导体四大类。这是 一种很粗略的划分，并无十分确定的界线。在本章 的讨论中，将不区分高分子半导体和高分子导体， 统一称作导电高分子。