1、导电高分子导电高分子日本筑波大学材料学院的化学教授白川日本筑波大学材料学院的化学教授白川英树英树（Hidekishirakawa）美国费城宾夕法尼亚大学的化学教授马美国费城宾夕法尼亚大学的化学教授马克迪尔米德克迪尔米德 (Alan.G.MacDiarmid) 加利福尼亚大学固体聚合物和有机物研加利福尼亚大学固体聚合物和有机物研究所的物理学教授黑格尔究所的物理学教授黑格尔 (Alan.J.Heeger) The Nobel Prize in Chemistry 2000 for the discovery and development of conductive polymers Alan J
2、. Heeger Alan G. MacDiarmid Hideki Shirakawa 导电高分子的结构特征及导电机理导电高分子的结构特征及导电机理导电高分子的主要性能导电高分子的主要性能导电高分子的制备方法导电高分子的制备方法典型的导电高分子典型的导电高分子 导电高分子研究领域取得的突破性进展导电高分子研究领域取得的突破性进展导电高分子实用化面临的挑战导电高分子实用化面临的挑战导电高分子的结构特征及导电高分子的结构特征及导电机理导电机理 交替的单键和双键共轭结构交替的单键和双键共轭结构 导电高分子都有一个长程的导电高分子都有一个长程的-电子共电子共轭主链轭主链，因而又称为共轭聚合物因而又称
3、为共轭聚合物。这这一一- -电子共轭体系的成键和反键能带电子共轭体系的成键和反键能带之间的能隙较小之间的能隙较小，大约为大约为1.53.0 eV，接近无机半导体中导带和价带之间的接近无机半导体中导带和价带之间的能隙能隙。 导电高分子的导电机理导电高分子的导电机理: :掺杂掺杂 在共轭聚合物分子中在共轭聚合物分子中电子是无法沿电子是无法沿主链移动的主链移动的，而而电子虽较易移动电子虽较易移动，但也是定域化但也是定域化的的，因此必需移去主链因此必需移去主链上部分电子上部分电子(氧化氧化)或注入数个电子或注入数个电子(还还原原)，而而这些这些空穴空穴或额外电子在或额外电子在共轭聚共轭聚合物合物链上的
4、移动链上的移动，赋予了赋予了共轭聚合物共轭聚合物导电导电性性。无机半导体中的掺杂是原子的替代无机半导体中的掺杂是原子的替代，但但在导电聚合物中在导电聚合物中，掺杂是氧化掺杂是氧化/ /还原过程还原过程，其掺杂的实质是电荷的转移。其掺杂的实质是电荷的转移。无机半导体的掺杂量极低无机半导体的掺杂量极低(万分之几万分之几)，而导电聚合物的掺杂量很大而导电聚合物的掺杂量很大，可以高达可以高达50%。在无机半导体中没有脱掺杂过程在无机半导体中没有脱掺杂过程，而在而在导电聚合物中导电聚合物中，不仅存在脱掺杂过程不仅存在脱掺杂过程，而且掺杂而且掺杂/ /脱掺杂过程是完全可逆的。脱掺杂过程是完全可逆的。氧化掺
5、杂氧化掺杂 (p-doping): CH n + 3x/2 I2 CHn x+ + x I3-还原掺杂还原掺杂 (n-doping): CH n + x Na CHn x- + x Na+ 导电高分子的主要性能导电高分子的主要性能 (1) 宽的电导率范围宽的电导率范围 一般来说一般来说，根据材料的导电性能根据材料的导电性能，材料可材料可分为分为： 绝缘体绝缘体（电导率电导率10-10 Scm-1） 半导体半导体（电导率电导率：10-10 10-2Scm-1） 导体导体（电导率电导率：102106 Scm-1） 超导体超导体（ 电导率趋向于无穷大电导率趋向于无穷大）导电高分子实现了从绝缘体到半导
6、体导电高分子实现了从绝缘体到半导体，再到再到导体的变化导体的变化，这也是迄今为止的任何材料都这也是迄今为止的任何材料都无法比拟的无法比拟的。 (2)导电高分子具有独特的掺杂和脱掺杂导电高分子具有独特的掺杂和脱掺杂特性特性，且掺杂且掺杂/ /脱掺杂过程完全可逆。脱掺杂过程完全可逆。聚苯胺的掺杂聚苯胺的掺杂/脱掺杂过程对应的颜色变化脱掺杂过程对应的颜色变化 (3)导电高分子具有导电高分子具有-共轭结构共轭结构，因此因此它具有响应速度快和高的三阶非线性它具有响应速度快和高的三阶非线性光学系数光学系数。 导电高分子的合成方法导电高分子的合成方法 化学氧化聚合化学氧化聚合 电化学聚合电化学聚合 典型的导
7、电高分子典型的导电高分子 (1)聚乙炔聚乙炔 1977年发现碘或者五氟化砷掺杂的聚乙年发现碘或者五氟化砷掺杂的聚乙炔膜具有金属的电导。炔膜具有金属的电导。 (2) 聚苯胺聚苯胺 聚苯胺主要特点是原料廉价易得聚苯胺主要特点是原料廉价易得，合成合成简单简单，同时具有良好的环境稳定性。同时具有良好的环境稳定性。 (3)聚吡咯聚吡咯 聚吡咯容易合成聚吡咯容易合成，且电导率也很高且电导率也很高；但但价格较高价格较高。 (4)聚噻吩聚噻吩 相对于其它几种导电高分子而言相对于其它几种导电高分子而言，聚噻吩类聚噻吩类衍生物具有可溶解衍生物具有可溶解，高电导率和高稳定性等高电导率和高稳定性等特点。特点。 导电高
8、分子领域的突破性导电高分子领域的突破性研究进展研究进展 (1) 对掺杂本质的认识及孤子导电机理的提出对掺杂本质的认识及孤子导电机理的提出 1979年年W.P.Su, J.R.Schrieffer和和A. J. Heeger等人提出等人提出了孤子理论了孤子理论。根据这一理论根据这一理论，孤子、极化子和双孤子、极化子和双极化子极化子被视为导电高分子的载流子被视为导电高分子的载流子。 AB中性孤子自由基正孤子碳正离子负孤子碳负离子正极化子负极化子阳离子自由基阴离子自由基正双极化子两价碳正离子负双极化子两价碳负离子(2) 可溶性导电高分子可溶性导电高分子 目前已经可以通过目前已经可以通过结构修饰、掺杂
9、诱导、乳结构修饰、掺杂诱导、乳液聚合和化学复合液聚合和化学复合等方法获得可溶性或水溶等方法获得可溶性或水溶性的导电高分子性的导电高分子。 (3) 聚合物发光二极管聚合物发光二极管 1992年美国的年美国的UNIAX公司研制了柔韧可弯曲的公司研制了柔韧可弯曲的聚合物发光二极管聚合物发光二极管。该二极管的第一层是聚对该二极管的第一层是聚对苯二甲酸乙酯苯二甲酸乙酯；第二层为聚苯胺薄膜第二层为聚苯胺薄膜( (正电极正电极)；而第三层是发光薄膜和钙膜而第三层是发光薄膜和钙膜(负电极负电极)。(4) 导电高分子的多功能化导电高分子的多功能化 将导电高分子与高力学性能、高透明度、耐将导电高分子与高力学性能、高透明度、耐高温的高分子材料进行复合以制备兼顾电学高温的高分子材料进行复合以制备兼顾电学与力学性能、电学与透光性能以及良好热稳与力学性能、电学与透光性能以及良好热稳定性的新型复合材料。定性的新型复合材料。导电高分子实用化面导电高分子实用化面临的挑战临的挑战 稳定性稳定性功能化功能化加工性加工性纳米化纳米化
