导电高分子材ppt课件

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1、导电高分子资料导电高分子资料148148寝室寝室徐勤富徐勤富 王加杰王加杰 顷顷文文飞飞 陈陈健健塑料如何能变得导电？塑料根本上是聚合物，就好象珍珠项链普通具有长链而且以固定的单元不断反复的构造，当它要变得能导电时就必需能仿真金属的行为，亦及电子必需能不受原子的束缚而能自在挪动，要到达此目的的第一个条件就是这个聚合物应该具有交错的单键与双键，亦称为共轭的双键，透过乙炔所聚合而得的聚乙炔不过，具有共轭双键的长链并缺乏以呵斥它的导电，要能导电必需对这种塑料动点手脚，一那么将部份电子移出，一那么参与一些电子，这种过程称为掺杂如以下图的小游戏提供一个简如以下图的小游戏提供一个简单的模型来阐明一个掺杂的

2、聚单的模型来阐明一个掺杂的聚合物发生的情况，假设不是由合物发生的情况，假设不是由于其中有一个空洞，整个数字于其中有一个空洞，整个数字盘中的数字方块就无法挪动，盘中的数字方块就无法挪动，在掺杂过的导电塑料中也如这在掺杂过的导电塑料中也如这个游戏普通，想象每一个数字个游戏普通，想象每一个数字方块就好象是一个电子，由于方块就好象是一个电子，由于有一个空洞的存在，电子就可有一个空洞的存在，电子就可以在其中顺利的挪动，当然这以在其中顺利的挪动，当然这个模型是过度简化的个模型是过度简化的导电高分子资料的导电机理半导体到导体的实现途径掺杂(doping) 在共轭有机分子中电子是无法沿主链挪动的，而电子虽较易

3、挪动，但也相当定域化，因此必需移去主链上部分电子(氧化)或注入数个电子(复原)，这些空穴或额外电子可以在分子链上挪动，使此高分子成为导电体。导电高分子资料的导电机理导电高分子资料的掺杂途径氧化掺杂 (p-doping): CHn + 3x/2 I2 CHnx+ + x I3-复原掺杂 (n-doping): CHn + x Na CHnx- + x Na+ 添补后的聚合物构成盐类，产生电流的缘由并不是碘离子或钠离子而是共轭双键上的电子挪动。导电高分子资料的导电机理导电高分子资料的共同特征交替的单键、双键共轭构造 聚乙炔由长链的碳分子以sp2键链接而成，每一个碳原子有一个价电子未配对，且在垂直于

4、sp2面上构成未配对键。其电子云相互接触，会使得未配对电子很容易沿着长链挪动，实现导电才干。导电高分子资料的导电机理掺杂导电高分子资料的导电机理 碘分子从聚乙炔抽取一个电子构成I3，聚乙炔分子构成带正电荷的自在基阳离子，在外加电场作用下双键上的电子可以非常容易地挪动，结果使双键可以胜利地延着分子挪动，实现其导电才干。2000年年诺贝尔化学化学奖得主得主美国物理学美国物理学美国物理学美国物理学家家家家Heeger Heeger 美国化学家美国化学家美国化学家美国化学家MacDiarmid MacDiarmid 日本化学家日本化学家日本化学家日本化学家Shirakawa Shirakawa G.

5、MacDiarmid H.Shirakawa J.Heeger世界上第一种世界上第一种导电聚合物：聚合物：掺杂聚乙炔聚乙炔19771977年，美国化学家年，美国化学家年，美国化学家年，美国化学家MacDiarmidMacDiarmid，物理学家，物理学家，物理学家，物理学家HeegerHeeger和日本化学家和日本化学家和日本化学家和日本化学家ShirakawaShirakawa初次初次初次初次发现掺杂发现掺杂碘的聚乙炔具有金属的特性碘的聚乙炔具有金属的特性碘的聚乙炔具有金属的特性碘的聚乙炔具有金属的特性 。并因此。并因此。并因此。并因此获获得得得得20002000年年年年诺贝尔诺贝尔化学化学

6、化学化学奖奖一 资料导电才干的差别与缘由电导率资料导电才干的差别与缘由能带间隙 (Energy Band Gap) 金属之Eg值几乎为0 eV ，半导体资料Eg值在1.03.5 eV之间，绝缘体之Eg值那么远大于3.5 eV。 四 高分子资料导电才干的影响要素导电高分子资料聚乙炔的电导率掺杂方法掺杂方法掺杂剂掺杂剂电导率，电导率，S/mS/m未掺杂型未掺杂型顺式聚乙炔顺式聚乙炔反式聚乙炔反式聚乙炔1.7101.7107 74.44.4 10103 3 p p掺杂型（氧化型）掺杂型（氧化型） 碘蒸汽掺杂碘蒸汽掺杂五氟化二砷掺杂五氟化二砷掺杂高氯酸蒸汽高氯酸蒸汽电化学掺杂电化学掺杂5.5105.5

7、104 4 1.2101.2105 55105103 31101105 5 n n掺杂型（还原型）掺杂型（还原型） 萘基钾掺杂萘基钾掺杂萘基钠掺杂萘基钠掺杂2102104 410103 310104 4高分子资料导电才干的影响要素掺杂率对导电高分子资料导电才干的影响 掺杂率小时，电导率随着掺杂率的添加而迅速添加；当到达一定值后，随掺杂率添加的变化电导率变化很小，此时为饱和掺杂率。高分子资料导电才干的影响要素共轭链长度对导电高分子资料导电才干的影响 电子运动的波函数在沿着分子链方向有较大的电子云密度，并且随着共轭链长度的添加，这种趋势更加明显，导致聚合物电导率的添加。高分子资料导电才干的影响要素

8、温度对导电高分子资料导电才干的影响 对金属晶体，温度升高引起的晶格振动妨碍其在晶体中的自在运动；而对于聚乙炔，温度的升高有利于电子从分子热振动中获得能量，抑制其能带间隙，实现导电过程。导电高分子资料的研讨进展 1974年日本筑波大学H.Shirakawa在合成聚乙炔的实验中，偶尔地投入过量1000倍的催化剂，合成出令人兴奋的有铜色的顺式聚乙炔薄膜与雪白色光泽的反式聚乙炔。 Ti(OC4H9)4Al(C2H5)3HCCH1000 倍催化剂温度108107 S/m103102 S/m导电高分子资料的发现导电高分子资料的研讨进展 1975年，G. MacDiarmid 、 J.Heeger与H.Sh

9、irakawa协作进展研讨，他们发现当聚乙炔曝露于碘蒸气中进展掺杂氧化反响(doping)后，其电导率令人吃惊地到达3000S/m。聚乙炔的掺杂反响导电聚合物是由具有共聚合物是由具有共轭键的聚合物的聚合物经过化学或化学或电化学的化学的掺杂而构成的而构成的导电聚合物除了具有高分子聚合物的普通聚合物除了具有高分子聚合物的普通的构造特点外的构造特点外还含有一价的含有一价的对阴离子阴离子P型型掺杂或或对阳离子阳离子N型型掺杂导电聚合物最引人注目的一个特点是其聚合物最引人注目的一个特点是其电导率可以在率可以在绝缘体体半半导体体金属金属态10-9到到105s/cm较宽的范的范围里里变化。化。这是目前其他是

10、目前其他资料所无法比料所无法比较的的导电高分子的主要高分子的主要类型：型：除了最早的聚乙炔除了最早的聚乙炔PA外，主要有聚吡外，主要有聚吡咯咯(PPY)、聚、聚噻吩吩(PTH)、聚、聚对苯乙苯乙烯(PPV)、聚苯胺、聚苯胺(PANI)以及他以及他们的衍生物的衍生物其中聚苯胺构造多其中聚苯胺构造多样、掺杂机制独特、机制独特、稳定性高技定性高技术运用前景广泛，在目前的研运用前景广泛，在目前的研讨中中备受注重受注重其中聚乙炔的所能到达的其中聚乙炔的所能到达的电导率在已率在已发现的的导电聚合物中是最高的，到达了聚合物中是最高的，到达了105S/cm量量级，接近，接近Pt和和Fe的室温的室温电导率率 其

11、它导电高分子资料导电高分子资料的研讨进展 与聚乙炔相比，它们在空气中更加稳定，可直接掺杂聚合，电导率在104S/m左右，可以满足实践运用需求。导电高分子的高分子的掺杂与无机半与无机半导体的体的掺杂的的对比比无机半导体中的掺杂导电高分子中的掺杂本质是原子的替代本质是原子的替代本质是原子的替代本质是原子的替代 是一种氧化还原过程是一种氧化还原过程是一种氧化还原过程是一种氧化还原过程掺杂量极低（万分之几）掺杂量极低（万分之几）掺杂量极低（万分之几）掺杂量极低（万分之几） 掺杂量一般在百分之几到掺杂量一般在百分之几到掺杂量一般在百分之几到掺杂量一般在百分之几到百分之几十之间百分之几十之间百分之几十之间

12、百分之几十之间 掺杂剂在半导体中参与导电掺杂剂在半导体中参与导电掺杂剂在半导体中参与导电掺杂剂在半导体中参与导电 只起到对离子的作用，不只起到对离子的作用，不只起到对离子的作用，不只起到对离子的作用，不参与导电参与导电参与导电参与导电 没有脱掺杂过程没有脱掺杂过程没有脱掺杂过程没有脱掺杂过程 掺杂过程是完全可逆的掺杂过程是完全可逆的掺杂过程是完全可逆的掺杂过程是完全可逆的 目前目前掺杂的方式主要有两种的方式主要有两种 ：氧化复原氧化复原氧化复原氧化复原掺杂掺杂 ：可：可：可：可经过经过化学或化学或化学或化学或电电化学手段来化学手段来化学手段来化学手段来实现实现 。化学。化学。化学。化学掺杂掺杂

13、会遭到磁会遭到磁会遭到磁会遭到磁场场的影响的影响的影响的影响 遗遗憾的是目前憾的是目前憾的是目前憾的是目前为为止止止止还还没有没有没有没有发现发现外加磁外加磁外加磁外加磁场对场对聚合物聚合物聚合物聚合物的室温的室温的室温的室温电导电导率有明率有明率有明率有明显显的影响的影响的影响的影响质质子酸子酸子酸子酸掺杂掺杂 ：普：普：普：普统统过统统过化学反响来完成，近年化学反响来完成，近年化学反响来完成，近年化学反响来完成，近年发发现现也可也可也可也可经过经过光光光光诱导诱导施放施放施放施放质质子的方法来完成子的方法来完成子的方法来完成子的方法来完成 还还有有有有掺杂掺杂脱脱脱脱掺杂掺杂再再再再掺杂掺

14、杂的反复的反复的反复的反复处处置方法，置方法，置方法，置方法，这这种种种种掺杂掺杂方法可以得到比普通方法更高的方法可以得到比普通方法更高的方法可以得到比普通方法更高的方法可以得到比普通方法更高的电导电导率和率和率和率和聚合物聚合物聚合物聚合物稳稳定性定性定性定性 聚合物的聚合物的掺杂过程直接影响程直接影响导电聚聚合物合物导电才干，才干，掺杂方法和条件的方法和条件的不同直接影响到不同直接影响到导电聚合物的物理聚合物的物理化学性能化学性能分子分子导电高分子的高分子的导电是在一个分子是在一个分子链上上实现的的 适当地控制分子适当地控制分子链的构造，或者改的构造，或者改动它它的部分的部分环境，一个分子

15、的各个区域能境，一个分子的各个区域能够具有不同的具有不同的导电行行为 有能有能够制成制成“分子分子导线、“分子分子电路路和和“分子器件分子器件 导电高分子高分子资料的运用料的运用导电聚合物特殊的构造以及聚合物特殊的构造以及优良的物理化良的物理化学性能，使得其在能源二次学性能，使得其在能源二次电池、太阳池、太阳能能电池、固体池、固体电池，光池，光电器件，晶体管，器件，晶体管，镇流器，流器，发光二极管光二极管LED，传感器气感器气体和生物体和生物,电磁屏蔽，磁屏蔽，隐身技身技术以及生命以及生命科学等方面都有科学等方面都有诱人的运用前景人的运用前景构造性导电高分子资料的用途应用领域或有应用领域或有应

16、用领域或有应用领域或有用的效用用的效用用的效用用的效用实例实例实例实例电子电导电子电导电子电导电子电导电加热元件的挠性导体，电磁屏蔽材电加热元件的挠性导体，电磁屏蔽材电加热元件的挠性导体，电磁屏蔽材电加热元件的挠性导体，电磁屏蔽材料，抗静电材料料，抗静电材料料，抗静电材料料，抗静电材料电极电极电极电极燃料电池，光化学电池，传感器，心燃料电池，光化学电池，传感器，心燃料电池，光化学电池，传感器，心燃料电池，光化学电池，传感器，心电图仪电图仪电图仪电图仪边界层效应边界层效应边界层效应边界层效应选择性透过膜，离子交换剂，医药控选择性透过膜，离子交换剂，医药控选择性透过膜，离子交换剂，医药控选择性透过

17、膜，离子交换剂，医药控制释放制释放制释放制释放电子学电子学电子学电子学分子电子学，发光二极管，数据存储，分子电子学，发光二极管，数据存储，分子电子学，发光二极管，数据存储，分子电子学，发光二极管，数据存储，改良场效应晶体管改良场效应晶体管改良场效应晶体管改良场效应晶体管光学光学光学光学电致变色显示器，非线性光学材料，电致变色显示器，非线性光学材料，电致变色显示器，非线性光学材料，电致变色显示器，非线性光学材料，滤光片滤光片滤光片滤光片电致伸缩效应电致伸缩效应电致伸缩效应电致伸缩效应 微触动器微触动器微触动器微触动器五 导电高分子资料的运用半导体/导体/可逆掺杂半导体特性的运用发光二极管 利用导

18、电高分子与金属线圈当电极，半导体高分子在中间，当两电极接上电源时，半导体高分子将会开场发光。比传统的灯泡更节省能源而且产生较少的热，详细运用包括平面电视机屏幕、交通讯息标志等。导电高分子资料的运用半导体特性的运用太阳能电池 导电高分子可制成太阳电池，构造与发光二极管相近，但机制却相反，它是将光能转换成电能。 优势在于廉价的制备本钱，迅速的制备工艺，具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性 。导电高分子资料的运用导体特性的运用抗静电 理想的电磁屏蔽资料，可以运用在计算机、电视机、起搏器等电磁波遮盖涂布 可以吸收微波，因此可以做隐身飞机的涂料 防蚀涂料 可以防腐蚀，可以用在火箭、船舶、石油管道等 导电高分子

19、资料的运用电化学掺杂/去掺杂之可逆性的运用电变色组件 共轭高分子在电化学氧化复原时都会产生变色景象。电变色性在汽车防眩后视镜、光信息储存组件、太阳眼镜、军事用途护目镜、飞机驾驶舱遮篷及智能窗等可控制电变色性质的运用上具有极大的开展潜力。导电高分子资料的运用电化学掺杂/去掺杂之可逆性的运用可反复充放电电池 导电高分子电极与对应电极及电解质构成一个蓄有电能的电池，假设加电场而掺杂充电，加负载而去掺杂放电，该充电/放电过程为可逆反响。具有价廉、能量密度高、循环寿命长、和低本身放电等优点。 导电高分子资料的运用电化学掺杂/去掺杂之可逆性的运用气体检测器 检测的气体包括氧化性气体与复原性气体，氧化性气体在高分子薄膜内将导电高分子氧化，构成阴离子掺杂，添加导电度；复原性气体在高分子薄膜内那么会将导电高分子复原，构成阳离子掺杂，降低导电度。由于其对电信号的变化非常敏感，因此可以用做检测器。 总结导电高分子资料的优越性 具有半导体及导体双重特性，可低温加工、可大面积化、具有塑料的拉伸性、弹性和柔韧性等，所以制造本钱低，组件特性优越，对未来电子及信息工业将产生宏大影响。 导电高分子资料面临的挑战 综合电学性能与铜相比还有差距，实际上还沿用无机半导体实际和掺杂概念；导电聚合物的自构筑、自组装分子器件的研讨也存在很多问题；加工性能和力学性能以及稳定性上也需求改良。