高分子导体及半导体-高分子科学与工程系.PDF

高分子科学与材料概论 第五章 导电高分子材料 (高分子导体及半导体) 内容提要 一、2000年诺贝尔化学奖 二、材料导电性表征 三、高分子材料导电特点 四、导电高分子材料的发现与导电高分子学科的产生 五、复合型导电高分子材料及其应用 六、结构型导电高分子材料及其应用 一、2000年诺贝尔化学奖 塑料、橡胶一类高分子材料是很好的绝 缘体 在一定的条件下，高分子材料确实可以 做成像金属那样具有导电性能的材料 2000年诺贝尔化学奖 Alan J. Heeger 、Alan G. MacDiarmid Hideki Shirakawa （白川英树） Alan J. Heeger ，1936 年出生。1961年获得美国加州大学伯 克利分校博士学位。1962年成为费城宾夕法尼亚大学的助理 教授，1967至1982年任宾大的教授。1982年任加州圣巴巴拉 加州大学的物理教授，该校高分子与有机固体研究所所长。 1990年创立UNIAX公司，出任公司董事会主席。 Alan G.MacDiarmid ， 1927年出生在新西 兰。1953年获得美国 威斯康星大学博士学 位，1955年获得英国 剑桥大学博士学位。 1956年受聘美国宾夕 法尼亚大学助理教 授，1956年成为终身 教授。 Hideki Shirakawa （白川英树），1936年出生。1966 年获得日本东京技术研究所博士学位，同年成为日本 Tsukuba大学材料科学研究所的助理教授。1982年成 为教授。 在从绝缘性到导电性高分子认识的转变过程 在从绝缘性到导电性高分子认识的转变过程 中，起关键作用的是聚乙炔。 中，起关键作用的是聚乙炔。 20世纪70 年代初，Shirakawa ，一种新方法来合成聚乙 炔，能控制反应器壁上黑色聚乙炔膜中顺、反异构体的 比例 失误，多加一千倍的催化剂，得一层美丽的银色的膜， 反式的聚乙炔 另一个温度下进行相应的反应给出的是铜一样颜色的 膜，顺式聚乙炔 改变温度和催化剂的浓度成了决定反应如何发展的关键 MacDiarmid 、Heeger 非常像金属的无机聚合物氮化硫 (SN)x 东京讨论会，Shirakawa和MacDiarmid 偶然在会议休息 喝咖啡时巧遇 MacDiarmid邀请Shirakawa到费城的宾夕法尼亚大学 用碘蒸汽氧化并修饰聚乙炔，氧化处理过程中光学性质 发生了改变 搀了碘的反式聚乙炔的电导率已经增加了一千万倍！ 搀杂的概念或方法由此产生，它能使高分子材料的电导（率）大为提高 这一研究结果的论文发表在1977年的J. Chem. Soc., Chem. Commun.上 Hideki Shirakawa, Edwin J. Louis, Alan G. MacDiarmid, Chwan K. Chiang and Alan J. Heeger, “Synthesis of electrically conducting organic polymers: halogen derivatives of polyacetylene, (CH)x”, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1977, 578-580. 二、材料导电性表征 材料导电性能表征 电阻率 ρ ( Ω⋅m ) R = ρ ⋅ d / s 电导率 σ ( Ω-1⋅m-1, S⋅m-1 ) G = σ ⋅ s / d 二者关系 ρ = 1/ σ ρ 越大，导电性越差 σ 越大，导电性越强 日常所见的高分子材料大多在绝缘体 范围 材料导电性是由于物质内部存在能传 递电流的自由电荷，这些自由电荷通 常称为载流子（电子、空穴、正离 子、负离子） 材料导电性的宏观物理量σ与微观物理 量（载流子浓度、迁移率）的关系为 σ = N⋅q⋅μ 三、高分子材料导电特点 1. 高分子一般都是绝缘体 有机高分子的固体（晶体）状态属分子晶体类型，晶 体中分子与分子间的堆