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3、导电高分子与掺杂 3.1、引言 物质按其电学性能可分为绝缘体、半导体、导体和超导体四类。 通常高聚物是属于绝缘体范畴。所以,60年代每当人们提到高聚物首先就会想到它的电绝缘性。但是,1978年美国宾夕法尼亚大学的化学家A.G.MacDiarmid和物理学家A.J.Heeger及日本筑波大学的化家H.Shirakawa教授在美国共同发现用碘掺杂的聚乙炔的室温电导率竟提高了12个数量级,即掺杂后它由绝缘体(σ~10-9S/cm)变成金属导体(σ~103S/cm)。从此,高聚物被认为是绝缘体的传统概念被打破了。一个新型的多学科交叉的导电高聚物(synthetic metals, 合成金属)的研究领域出现了,并愈来愈显示它的广阔前景。 * 导电聚合物与常规的金属导电体不同,它属于分子导电物质,而后者是金属晶体导电物质,因此其结构和导电方式也就不同。 导电高分子材料根据材料的组成可以分成: 复合型导电高分子材料 本征型导电高分子材料 两大类。后者也被称为结构导电高分子材料。 * 复合型导电高分子材料 由普通高分子结构材料与金属或碳等导电材料,通过分散、层合、梯度复合、表面镀层等复合方式构成。其导电主要通过其中的导电材料完成。 * 本征导电高分子 本身具有传输电荷的能力,这种导电聚合物如果按其结构特征和导电机理还可以进一步分成以下三类: 载流子为自由电子的电子导电聚合物 载流子为能在聚合物分子间迁移的正负离子的离子导电聚合物 以氧化还原反应为电子转移机理的氧化还原型导电聚合物。导电能力是由于在可逆氧化还原反应中电子在分子间的转移产生的。 * “Intrinsically Conducting Polymer”(ICP)(本征导电聚合物) An organic polymer that possesses the electrical, electronic magnetic, and optical properties of a metal while retaining the mechanical properties, processibility, etc. commonly associated with a conventional polymer, is termed an “intrinsically conducting polymer”(ICP) more commonly known as a “synthetic metal”. Its properties are intrinsic to a “doped” form of the polymer. This class of polymer is completely different from “conducting polymer” which are merely a physical mixture of a non-conductive polymer with a conducting material such as a metal or carbon powder distributed throughout the material. Synthetic Metals 125(2002) 11-12; Synthtic metals : a novel role for organic polymers * 本征导电高聚物是含有1价对阴离子的具有非定域π-电子共扼体系的高聚物。 分子结构如图1所示的聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩和聚苯胺均属于典型的导电高聚物,也是当今研究得最多、最深入的导电高聚物体系。 * 与普通的高聚物相比,导电高聚物的最显著特点是: 通过化学或电化学掺杂,它们的电导率可以在如图2所示的绝缘体、半导体和金属导体的宽广范围内变化(10-9—105S/cm),而且它们的物理化学和电化学特性强烈地依赖于高聚物的主链结构、掺杂剂的性质和掺杂程度。 * 具有颗粒或纤维结构的微观形貌。实验发现颗粒或纤维本身具有金属特性。而它被绝缘的空气所包围,通常用“导电孤岛”来描述。 具有优异的物理化学特性.如较高的室温电导率、可逆的氧化-还原特性、掺杂时伴随颜色的变化以及快速响应、大的三阶非线性光学系数。 但是,它们在空气中的稳定性、加工性和机械性能比普通的高聚物要差。这些缺点增加了对它们的结构和性能的研究以及它们在技术上应用探索的难度。然而,经过科学家近十余年的努力,上述缺点巳在不问程度上得到了解决,为导电高聚物在技术上的实际应用打下了基础。 * 3.2、导电高分子性能 电压与电流的关系 如果电压与电流符合欧姆定律,则称为电阻型导电材料。复合型导电高分子材料和具有线性共轭结构的本征导电高分子材料在一
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