文档介绍：第五章导电高分子
1. 概述
导电高分子的基本概念
物质按电学性能分类可分为绝缘体、半导体、
导体和超导体四类。高分子材料通常属于绝缘体的
范畴。但1977年美国科学家黑格()、
麦克迪尔米德(. MacDiarmid)和日本科学家
白川英树()发现掺杂聚乙炔具有金
属导电特性以来,有机高分子不能作为导电材料的
概念被彻底改变。
1
导电性聚乙炔的出现不仅打破了高分子仅为绝
缘体的传统观念,而且为低维固体电子学和分子电
子学的建立打下基础,而具有重要的科学意义。上
述三位科学家因此分享2000年诺贝尔化学奖。
黑格小传
麦克迪尔米德小传
白川英树小传
第五章导电高分子
2
第五章导电高分子
所谓导电高分子是由具有共轭π键的高分子经
化学或电化学“掺杂”使其由绝缘体转变为导体的一
类高分子材料。它完全不同于由金属或碳粉末与高
分子共混而制成的导电塑料。
通常导电高分子的结构特征是由有高分子链结
构和与链非键合的一价阴离子或阳离子共同组成。
即在导电高分子结构中,除了具有高分子链外,还
含有由“掺杂”而引入的一价对阴离子(p型掺杂)
或对阳离子(n型掺杂)。
3
第五章导电高分子
导电高分子不仅具有由于掺杂而带来的金属特
性(高电导率)和半导体(p和n型)特性之外,还
具有高分子结构的可分子设计性,可加工性和密度
小等特点。为此,从广义的角度来看,导电高分子
可归为功能高分子的范畴。
导电高分子具有特殊的结构和优异的物理化学
性能使它在能源、光电子器件、信息、传感器、分
子导线和分子器件、电磁屏蔽、金属防腐和隐身技
术方面有着广泛、诱人的应用前景。
4
第五章导电高分子
导电高分子自发现之日起就成为材料科学的研
究热点。经过近三十年的研究,导电高分子无论在
分子设计和材料合成、掺杂方法和掺杂机理、导电
机理、加工性能、物理性能以及应用技术探索都已
取得重要的研究进展,并且正在向实用化的方向迈
进。本章主要介绍导电高分子的结构特征和基本的
物理、化学特性,并评述导电高分子的重要的研究
进展。
5
第五章导电高分子
材料导电性的表征
根据欧姆定律,当对试样两端加上直流电压V
时,若流经试样的电流为I,则试样的电阻R为:
电阻的倒数称为电导,用G表示:
(5—1)
(5—2)
6
第五章导电高分子
电阻和电导的大小不仅与物质的电性能有关,
还与试样的面积S、厚度d有关。实验表明,试样的
电阻与试样的截面积成反比,与厚度成正比:
同样,对电导则有:
(5—3)
(5—4)
7
第五章导电高分子
上两式中,ρ称为电阻率,单位为(Ω·cm),
σ称为电导率,单位为(Ω-1·cm-1)。
显然,电阻率和电导率都不再与材料的尺寸有
关,而只决定于它们的性质,因此是物质的本征参
数,都可用来作为表征材料导电性的尺度。
在讨论材料的导电性时,更习惯采用电导率来
表示。
8
第五章导电高分子
材料的导电性是由于物质内部存在的带电粒子
的移动引起的。这些带电粒子可以是正、负离子,
也可以是电子或空穴,统称为载流子。载流子在外
加电场作用下沿电场方向运动,就形成电流。可
见,材料导电性的好坏,与物质所含的载流子数目
及其运动速度有关。
9
第五章导电高分子
假定在一截面积为S、长为l的长方体中,载流
子的浓度(单位体积中载流子数目)为N,每个载
流子所带的电荷量为q。载流子在外加电场E作用
下,沿电场方向运动速度(迁移速度)为ν,则单
位时间流过长方体的电流I为:
(5—5)
10