导电高分子材料优秀课件.ppt

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1、导电高分子材料第1页，本讲稿共13页2000年诺贝尔化学奖得主美国物理学家美国物理学家HeegerHeeger 美国化学家美国化学家MacDiarmidMacDiarmid 日本化学家日本化学家ShirakawaShirakawa 第2页，本讲稿共13页世界上第一种导电聚合物：掺杂聚乙炔 1977 1977年，美国化学家年，美国化学家MacDiarmid MacDiarmid，物理学家，物理学家HeegerHeeger和 和日本化学家 日本化学家ShirakawaShirakawa首次发现掺杂碘的聚乙炔具有金属 首次发现掺杂碘的聚乙炔具有金属的特性 的特性。并因此获得。并因此获得2000200

2、0年诺贝尔化学奖。年诺贝尔化学奖。使用使用ZigglerNattaZigglerNatta催化剂 催化剂AlEtAlEt33/Ti(OBu)/Ti(OBu)44,Ti,Ti的浓度为的浓度为3mmol/L3mmol/L，Al/TiAl/Ti约为约为3-43-4。催化剂溶于甲苯中，冷却到。催化剂溶于甲苯中，冷却到-78-78度度,通入乙炔，可在溶液表面生成顺式的聚乙炔薄膜。通入乙炔，可在溶液表面生成顺式的聚乙炔薄膜。掺杂后电导率达到掺杂后电导率达到10 1055S/cmS/cm量级量级。第3页，本讲稿共13页导电机理与结构特征 电子导电型聚合物的共同结构特征是分子内有大的线性 电子导电型聚合物的共

3、同结构特征是分子内有大的线性共轭 共轭nn电子体系，给载流子电子体系，给载流子-自由电子提供离域迁移的 自由电子提供离域迁移的条件。条件。离子导电型聚合物的分子有亲水性柔性好，在离子导电型聚合物的分子有亲水性柔性好，在一定温度条件下有类似液体的性质。允许相对体一定温度条件下有类似液体的性质。允许相对体积较大的正负离子在电场作用下在聚合物中迁移。积较大的正负离子在电场作用下在聚合物中迁移。氧化还原型导电聚合物必须在聚合物骨架上带有可氧化还原型导电聚合物必须在聚合物骨架上带有可进行可逆氧化还原反应的活性中心。进行可逆氧化还原反应的活性中心。第4页，本讲稿共13页导电聚合物是由具有共轭 键的聚合物经

4、过化学或电化学的掺杂而形成的 导电聚合物除了具有高分子聚合物的一般的结构特点外导电聚合物除了具有高分子聚合物的一般的结构特点外还含有一价的对阴离子（还含有一价的对阴离子（PP型掺杂）或对阳离子（型掺杂）或对阳离子（NN型掺型掺杂）杂）导电聚合物最引人注目的一个特点是其电导率可以在导电聚合物最引人注目的一个特点是其电导率可以在绝缘体绝缘体半导体 半导体金属态 金属态（1010-9-9到到10105 5s/cm s/cm）较宽的范围里变化。这是目前其他材）较宽的范围里变化。这是目前其他材料所无法比拟的料所无法比拟的第5页，本讲稿共13页 目前已知的电子导电聚合物，除了早期发现的聚乙炔外，大多 目前

5、已知的电子导电聚合物，除了早期发现的聚乙炔外，大多为芳香单环、多环、以及杂环的共聚或均聚物。为芳香单环、多环、以及杂环的共聚或均聚物。第6页，本讲稿共13页第7页，本讲稿共13页 聚合物只能称为半导体材料。其原因在于纯净的，或未聚合物只能称为半导体材料。其原因在于纯净的，或未予予“掺杂 掺杂”的上述聚合物分子中各的上述聚合物分子中各键分子轨道之间还存键分子轨道之间还存在着一定的能级差。而在电场力作用下，电子在聚合物在着一定的能级差。而在电场力作用下，电子在聚合物内部迁移必须跨越这一能级差，这一能级差的存在造成内部迁移必须跨越这一能级差，这一能级差的存在造成价电子还不能在共轭聚合中完全自由跨键移

6、动。价电子还不能在共轭聚合中完全自由跨键移动。第8页，本讲稿共13页掺杂是一个氧化还原反应 pp型掺杂，以掺碘为例 型掺杂，以掺碘为例对于n型掺杂、以萘基金属掺杂为例：第9页，本讲稿共13页第10页，本讲稿共13页什么是导电高分子的掺杂呢？纯净的导电聚合物本身并不导电，必须经过掺杂才具纯净的导电聚合物本身并不导电，必须经过掺杂才具备导电性备导电性 掺杂是将部分电子从聚合物分子链中迁移出来从而使得电 掺杂是将部分电子从聚合物分子链中迁移出来从而使得电导率由绝缘体级别跃迁至导体级别的一种处理过程 导率由绝缘体级别跃迁至导体级别的一种处理过程 导电聚合物的掺杂与无机半导体的掺杂完全不同导电聚合物的掺

7、杂与无机半导体的掺杂完全不同第1 1页，本讲稿共13页导电高分子的掺杂与无机半导体的掺杂的对比无机半导体中的掺杂无机半导体中的掺杂导电高分子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 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 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，不参与导电参与导电 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 第12页，本讲稿共13页 聚合络合物理论（无序亚晶格离子传输机

8、理）聚合络合物理论（无序亚晶格离子传输机理）1966 1966年：年：PPO(PPO(聚环氧丙烷 聚环氧丙烷)可以溶解高氯酸锂盐类，溶解盐后聚合 可以溶解高氯酸锂盐类，溶解盐后聚合物的玻璃化转变温度有近 物的玻璃化转变温度有近70 70的变化，机械性能也发生异常变化。的变化，机械性能也发生异常变化。而最大的变化在于盐的溶解使聚合物的体积发生明显收缩，这 而最大的变化在于盐的溶解使聚合物的体积发生明显收缩，这说明在聚合物中溶解的盐与聚合物分子中的醚氧原子有较强的 说明在聚合物中溶解的盐与聚合物分子中的醚氧原子有较强的相互作用。相互作用。这种现象被解释为溶解的盐(其实是盐解离后形成的离子与聚合物醚氧原子形成了配位络合物。（四氢呋喃），良好的溶解性并不是因为高的介电常数，而且醚氧原子与阳离子的配位络合作用。同样可以推理，聚醚对盐有较高的溶解性也应归于聚合物中给电基团与盐中阳离子强烈的配位络合作用。第13页，本讲稿共13页