导电高分子材料的研究进展_精品.ppt

导电高分子材料的研究进展 材料科学与工程专业 物质按电学性能分类 绝缘体 半导体 导体 超导体 通常，有机高聚物属绝缘体的范畴。某些品种被称作功能高分子，其功能往往局限于离子交换、吸附和螫合等化学功能。 * 导电高聚物是21世纪重要的智能材料之一 在 1973发现 TTF-TCNQ电荷转移复合物具有超导涨落现象。 随后，Shirakawa等发现含交替单键和双键的聚乙炔（polyacetylene, 简称 PA）经过碘掺杂之后，其电学性能不仅由绝缘体(10-9S/cm) 转变为金属导体(103 S/cm), 而且伴随着掺杂过程聚乙炔薄膜的颜色也由银灰色转变为具有金属光泽的金黄色。从此，“合成金属”（synthetic metals ）的新概念和多学科交叉的新领域——导电高聚物诞生了。 “合成金属” 的新概念和导电高聚物新领域的出现不仅打破了有机高聚物与导电无缘的传统观念，而且为低维固体电子学和分子电子学的建立和发展打下基础，具有重要的科学意义。 * 由于导电高聚物具有独特的结构特征和掺杂机制、优异的物理化学性能和诱人的技术应用前景，使其一出现就成为20世纪后期材料科学的热门领域。 经过20余年的研究，导电高聚物在材料的分子设计和合成，掺杂方法和机理，导电机理，结构与光、电、磁物理性能及其相关机理，可溶性和加工性，技术应用探索和实用化等方面都已取得了长足进展，并正向实用化的方向发展。相信导电高聚物将是21世纪重要的智能材料之一。 * 导电高聚物的结构特征 所谓导电高聚物是π－共轭体系高聚物经化学或电化学掺杂，使其由绝缘体转变为导体的高聚物的统称。 聚合物的普遍结构式可为： p一型掺杂［（P+）1-y（A-1）y］n n一型掺杂［（P-）1-y（A+1）y］n P+和P-分别为带正电(p-型掺杂)和带负电(n一型掺杂)的高聚物链; A-和A+为一价对阴离子(p一型掺杂)和一价对阳离子(n一型掺杂); y为掺杂度，n为聚合度。 导电高聚物是由π-共轭高聚物链和一价对离子（counterions）构成，而且对阴离子和对阳离子与高聚物链 无化学键合，仅是正负电荷平衡。 * 导电高聚物的结构特征 这就是为什么导电高聚物不仅有脱掺杂过程，而且掺杂／脱掺杂过程完全可逆。这也是导电高聚物掺杂的重要特征之一。 综上所述，导电高聚物除了像普通高聚物一样具有可分子设计和合成，结构多样化，可加工和密度轻等特点之外，还具有半导体（n一型或p型掺杂）和金属的特性（高电导率、电磁屏蔽效应）。 从广义角度而言，导电高聚物属智能型或功能型的π－共轭高聚物范畴。 * 导电高聚物物理化学性能 1．电学性能 导电高聚物的室温电导率随掺杂度的变化可在绝缘体-半导体-金属态的范围内变化(10-10~105 S/cm)。 绝缘体／半导体／导体三相共存是导电高聚物的电学性能的显著特点之一。室温电导率强烈依赖于主链结构、掺杂剂、掺杂度、合成方法和条件等。 2．光学性能 由于导电高聚物具有π-共轭链结构，故导电高聚物在紫外一可见光区都有强的吸收。这种强吸收限制了导电高聚物兼顾光学透明性和导电性。另外，实验中发现导电高聚物具有光诱导吸收、光诱导漂白和光致发光等非线性光学效应。 * 导电高聚物物理化学性能 3．磁学性能 通常导电高聚物的载流子为孤子（soliton）极化子（polaron）和双极化子(bipolaron).除双极化子外，带电的孤子和极化子都具有自旋而呈顺磁性。实验发现导电高聚物的磁化率(X)是由与温度有关的居里磁化率（XC）和与温度无关的泡利磁化率（xP）两部分构成，而后者与金属性相关。 4．电化学性能 通常导电高聚物都具有可逆的氧化／还原特性，并且伴随着氧化／还原过程，导电高聚物的颜色也发生相应的变化。例如，当聚苯胺经历由全还原态一中间氧化态一全氧化态的可逆变化时，聚苯肢的颜色也伴随着淡黄色一蓝色一紫色的可逆变化。 * 典型的导电聚合物 名称 缩写 发现年代 σmax/(S/cm) 聚乙炔 PA 1977 103 聚吡咯 PPy 1978 103 聚噻吩 PTH 1981 10