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导电高分子(Conducting Polymers)本章主要内容一、前言 二、导电高聚物的定义，分类三、导电高聚物的导电机理四、导电高聚物的应用绝缘体 10-101半导体10-10~1022导体1023超导体?4一、前言按电学性能分类电导率 ?, s/cm （西门子/厘米）通常，聚合物材料属于绝缘体范畴。材料导电率范围材料电导率 /Ω-1·cm-1典 型 代 表绝缘体＜10-10石英、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯半导体10-10～102硅、锗、聚乙炔导 体102～108汞、银、铜、石墨超导体＞108铌(9.2 K)、铌铝锗合金(23.3K)、聚氮硫(0.26 K)载流子 材料在电场作用下能产生电流是由于介质中存在能自由迁移的带电质点，这种带电质点被称为载流子。 常见的载流子包括：自由电子、空穴、正负离子，以及其它类型的荷电微粒。 载流子的密度是衡量材料导电能力的重要参数之一。导电的基本概念导电的基本概念 材料的导电类型通常根据载流子的不同进行划分： 电子导电（载流子是自由电子或空穴），如： 金属材料，（高分子材料） 离子导电（载流子是正离子或负离子），如： 电解质溶液导电高分子聚合物是分子型材料，原子与原子间通过共享价电子形成共价键而构成分子，共价键属于定域键，价电子只能在分子内的一定范围内自由迁移，缺少可以长距离迁移的自由电子，因此，高分子材料属于绝缘材料的范畴。世界上第一种导电聚合物：掺杂聚乙炔1977年，美国化学家MacDiarmid，物理学家Heeger和日本化学家Shirakawa首次发现掺杂碘的聚乙炔具有金属的特性 。并因此获得2000年诺贝尔化学奖使用Ziggler-Natta催化剂AlEt3/Ti(OBu)4,Ti的浓度为3mmol/L，Al/Ti约为3-4。催化剂溶于甲苯中，冷却到-78度,通入乙炔，可在溶液表面生成顺式的聚乙炔薄膜。掺杂后电导率达到105S/cm量级 研究成果于1977年发表在Chem. Comm.杂志上， 题目是：有机导电高分子的合成，聚乙炔(CH)n的卤化衍生物，聚乙炔薄膜用碘蒸汽氧化后，导电性增加了千万倍掺杂导电高分子材料的导电机理 碘分子从聚乙炔抽取一个电子形成I3－，聚乙炔分子形成带正电荷的自由基阳离子，在外加电场作用下双键上的电子可以非常容易地移动，结果使双键可以成功地延着分子移动，实现其导电能力。导电高分子的应用1.发光二极管1990 年R. H. Friend首次报道。 高分子发光二极管具有颜色可调、可弯曲、大面积和低成本等优点。 ——实用化的突破口 导电高分子的应用2.分子导线一个分子类似于一根导线。可用于高灵敏度检测、超大规模集成技术等。“模板聚合、分子束沉积等方法制备“分子导线”或导电高分子微管(或纳米管) 导电高分子的应用3.二次电池高分子掺杂态储存电能、脱掺杂过程中释放电能 ——全塑电池输出电压3V、电池容量3mA.h，复充放电上千次。 导电高分子的应用4.生物传感器葡萄糖传感器、尿素传感器、乳酸传感器、胆固醇传感器导电高分子的应用5.气体传感器导电高分子与大气某些介质作用----电导率改变, 除去介质----恢复。（掺杂/或脱掺杂过程）。可用作选择性高、灵敏度高和重复性好的气体传感器。 导电高分子的应用6.雷达隐身材料导电性可以在绝缘体、半导体、金属导体之间变化,——不同的吸波性能密度小——轻加工性能——薄稳定性较好——高温使用 导电高分子的应用7.电显示材料掺杂/脱掺杂实现导体-绝缘体之间的转变，且电位、PH、掺杂量等变化伴随颜色变化， ——可用于电显示二、导电高分子分类狭义的定义：由碳、氢和氮、硫、氧等杂原子组成的具有本征导电性能的有机高分子材料。 Conducting polymers (CPs) Conductive polymers Conjugated Conductive Polymers Organic Polymeric Conductors■导电聚合物亦被称为： 金属化聚合物Metallic Polymer 合成金属Synthetic Metal2、导电高分子的发现1970’s Poly(p-phenylene sulfide), PPS 聚苯硫醚 thermoplastics Poly(acetylene) well-defined synthesis Oxidation polymerization of aniline Spontaneous polymerization →pyrrole black Electrochemical oxidation of aromatic monomers P(Py), Poly(thiophene), Poly(furan)1968 Electro