研究生电子材料_第三讲 导电高分子材料
研究生电子材料_第三讲
材料导电性能的表征方式（续）
而载流子的迁移速度ν通常与外加电场强度E成正比：
v E
式中，比例常数μ为载流子的迁移率，是单位场强下载流子
的迁移速度，单位为（cm2·V-1·s-1）；结合前式可得：
Rd S
G S d
11mSm
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。
材料导电性能的产生差异的原因
能带间隙 (Energy Band Gap)
金属之Eg值几乎为0ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱeV ，半导体材料Eg值在1.0~3.5 eV 之间，绝缘体之Eg值则远大于3.5 eV。
四烯转换了聚乙炔，其导电率达到35000 S/m，但是难以加工且不稳 定。 1987年，德国BASF科学家 N. Theophiou对聚乙炔合成方法进行了改 良，得到的聚乙炔电导率与铜在同一数量级，达到107 S/m。 除 了 最 早 的 聚 乙 炔 （ PA） 外 ， 主 要 有 聚 吡 咯 （ PPY）、 聚 噻 吩 （PTH）、聚对苯（PPV）、聚苯胺（PANI）以及他们的衍生物。 其中聚苯胺结构多样、掺杂机制独特、稳定性和高技术应用前景广 泛，在目前的研究中备受重视。 其中聚乙炔的所能达到的电导率在已发现的导电聚合物中是最高的， 达到了105 S/cm量级，接近Pt和Fe的室温电导率。
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。
本讲座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。
导电高分子材料
导电高分子材料引言导电高分子材料是一类具有导电性能的高分子材料，通常通过将一定量的导电剂与高分子基体进行混合来实现。
导电高分子材料具有许多独特的性能和应用，因此在电子学、能源技术、催化剂等领域有着广泛的应用和巨大的发展潜力。
1. 导电机制导电高分子材料的导电性能主要来源于导电剂的存在。
常见的导电剂包括金属粉末、碳纳米管、导电聚合物等。
这些导电剂在高分子基体中形成导电网络，使得材料能够传导电流。
导电高分子材料的导电性能与导电剂的种类、含量、分散性以及高分子基体的性质密切相关。
2. 特殊性能与应用导电高分子材料具有许多特殊的性能，使得其在多个领域具有广泛的应用。
2.1 电子学领域导电高分子材料在电子学领域有着重要的应用，例如导电高分子材料可以用于制备有机导电薄膜晶体管（OFET），用于构建柔性显示器、智能传感器和可穿戴设备等。
导电高分子材料不仅具有良好的导电性能，还具有优秀的可拉伸性和柔韧性，能够适应各种复杂的电子设备形状。
2.2 能源技术领域导电高分子材料在能源技术领域也有广泛的应用。
例如，导电高分子材料可以用于制备柔性太阳能电池，用于光电转换、能源收集和储存等。
导电高分子材料具有较高的导电性能和光吸收性能，可以有效提高太阳能电池的能量转换效率。
2.3 催化剂领域导电高分子材料还可以作为催化剂载体，用于催化剂的载体和固定。
导电高分子材料具有较大的比表面积和多孔结构，能够提供更多的活性位点和催化反应的接触面积，从而提高催化剂的反应效率和稳定性。
3. 导电高分子材料的制备方法导电高分子材料的制备方法多种多样，常见的制备方法包括物理共混法、化学共混法、原位聚合法等。
其中，物理共混法是将导电剂和高分子基体通过物理混合来制备导电高分子材料，适用于一些导电剂与高分子基体相容性较好的体系；化学共混法是通过化学反应将导电剂与高分子基体结合，适用于一些导电剂与高分子基体相容性较差的体系；原位聚合法是在高分子合成过程中引入导电剂，使导电剂与高分子基体同时合成。
导电高分子材料的制备与性质
导电高分子材料的制备与性质尽管目前的半导体材料有着较强的导电性，但是他们的性能远远达不到我们想要的标准。
如今，要想获得可理解的电子学器件，我们需要比半导体更好的导电材料。
这就导致了导电高分子材料的出现。
导电高分子材料是一种很有前途的材料，与其他电子数据存储前沿技术相比，有着较低的制造成本、改善的数据保存特性和更广泛的应用范围。
但是，要想制备合适的导电高分子材料，还需要深入了解它的性质和制备方法。
一、导电高分子材料的种类导电高分子材料可以分为两大类：一类是纯高分子材料，例如聚噻吩（polythiophene）和聚苯胺（polyaniline）等；另一种是复合高分子材料，例如碳纤维（carbon fibers）增强的复合材料。
纯高分子材料通常只具有比较弱的导电性，但是有着很好的加工性能和扩散性能。
由碳纤维增强的复合材料则具有较强的导电性，同时还有着很强的机械和热学性能。
二、导电高分子材料的制备方法导电高分子材料的制备方法包括导电高分子的化学合成法和表面改性法。
化学合成法是基于原位合成原理制备的，通过多种化学反应将功能化合物和基准高分子中的官能团结合起来形成导电高分子材料。
这种方法适用于有机电子器件，如晶体管、OLED等。
表面改性法是利用载体、分散剂和处理剂等改善高分子材料的导电性能。
三、导电高分子材料的性质导电高分子材料有着比一般高分子材料更高的导电性，而且导电性能可以在特定的外界条件下调节和控制。
此外，导电高分子材料还具有以下几种性质：1.热稳定性：导电高分子材料具有比其他材料更高的热稳定性，可以在较高温度下稳定运行。
2.机械性能：导电高分子材料的机械性能很好，可以制成各种形状和尺寸。
3.化学稳定性：导电高分子材料在弱酸和弱碱环境中具有较好的稳定性。
4.光学特性：导电高分子材料在可见光范围内吸收，可用于制作光电转换器。
作为一种新型的电子材料，导电高分子材料可以被广泛应用于各种领域，例如电池、传感器、发光器件、显示器件等。
导电高分子材料pedot的一种合成路线
导电高分子材料PEDOT的一种合成路线导电高分子材料具有导电性能和高分子材料的特性，因此在许多领域有着广泛的应用，如柔性电子器件、聚合物太阳能电池、电子纸等。
PEDOT（聚3,4-乙烯二氧噻吩）是一种常见的导电高分子材料，具有优异的导电性能和稳定性，因此被广泛应用于电子材料领域。
本文将介绍PEDOT的一种合成路线，通过对PEDOT的合成路线进行研究，可以更好地理解其结构和性能，为其在电子材料领域的应用提供更多可能性。
一、导电高分子材料PEDOT概述PEDOT是一种聚合物材料，具有良好的导电性能和化学稳定性，在柔性电子器件、聚合物太阳能电池等领域有着重要应用。
PEDOT的合成方法多种多样，可以通过化学氧化、电化学氧化等途径合成。
其中，化学氧化法是一种简单、高效的合成PEDOT的方法，下面将详细介绍通过化学氧化法合成PEDOT的一种合成路线。
二、PEDOT的化学氧化合成路线1.原料准备在合成PEDOT的过程中，需要准备3,4-乙烯二氧噻吩（EDOT）和氧化剂作为原料。
EDOT是合成PEDOT的单体，可以通过化学合成的方法得到。
而氧化剂可以选择过硫酸铵等常见氧化剂。
2.单体聚合将EDOT和氧化剂按一定的摩尔比加入溶剂中，如甲醇或乙醇中，使用机械搅拌或超声波处理均匀混合，然后在常温下反应一定时间。
在反应过程中，单体EDOT会发生聚合反应，逐渐形成聚合物PEDOT。
3.固化处理将反应得到的PEDOT溶液进行固化处理，通常的方法是通过真空干燥或加热处理，使其形成固态的PEDOT。
固态PEDOT具有较好的导电性能和稳定性，可以应用于各类电子器件中。
三、PEDOT合成路线的优劣势分析1.优势（1）简单高效：化学氧化法合成PEDOT的方法操作简单，且反应时间较短，能够高效得到目标产物。
（2）产率高：采用适当的反应条件和催化剂，可以获得较高的PEDOT产率。
（3）适用范围广：该合成路线适用于不同规模的实验室和生产环境中，能够满足不同需求。
导电高分子材料
导电高分子材料所谓导电高分子是具有共轭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具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或对阳离子。
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-半导体-金属态较宽的范围里变化。
这是目前其他材料所无法比拟的。
分类，按照材料的结构与组成，可将导电高分子分成两大类。
一类是结构型导电高分子，另一类是复合型导电高分子。
结构型导电高分子的导电机理为物质的导电过程是载流子在电场作用下定向移动的过程。
高分子聚合物导电必须具备两个条件：一要能产生足够数量的载流子，二是大分子链内和链间要能够形成导电通道。
在离子型导电高分子材料中，聚醚，聚酯等的大分子呈螺旋体空间结构，与其配位络合的阳离子在大分子链段运动作用下，就能够在螺旋孔道内通过空位迁移；或被大分子溶剂化了的阴阳离子同时在大分子链的空隙间跃迁扩散。
对于电子型导电高分子材料，作为主体的高分子聚合物大多为共轭体系，长链中的Π键较为活泼，特别是与掺杂剂形成电荷转移络合物后，容易从轨道上逃逸出来形成自由电子。
大分子链内与链间Π电子轨道重叠交盖所形成的导电能带为载流子的转移和跃迁提供了通道。
在外加能量和大分子链振动的推动下，便可传导电流。
复合型导电高分子复合型导电高分子是在本身不具备导电性的高分子材料中掺混入大量导电物质，如炭黑，金属粉，箔等，通过分散复合，层级复合，表面复合等方法构成的复合材料，其中以分散复合最为常用。
与结构型导电高分子不同，在复合型导电高分子中，高分子材料本身并不具备导电性，只充当了粘合剂的角色，导电性是通过混合在其中的导电性物质如炭黑，金属粉等获得的。
由于它们制备方便，有较强的实用性，因此在结构型导电高分子尚有许多技术问题没有解决的今天，人们对他们有着极大的兴趣。
导电高分子材料通用课件
加工性能
要点一
总结词
加工性能是导电高分子材料的另一个重要性能参数，它决 定了材料在加工过程中的可加工性和加工效果。
要点二
详细描述
加工性能包括材料的熔融流动性、热稳定性、可塑性和延 展性等。良好的加工性能能够保证导电高分子材料在加工 过程中具有良好的可加工性和加工效果，从而提高材料的 实用性和生产效率。
导电高分子材料通用课件
目 录
• 导电高分子材料的导电机理 • 导电高分子材料的制备方法 • 导电高分子材料的性能参数 • 导电高分子材料的发展趋势与挑战
目 录
• 导电高分子材料在新能源领域的应 • 导电高分子材料在智能材料与器件
01
CATALOGUE
导电高分子材料简介
导电高分子材料的定义
总结词
详细描述
聚合物共混法是通过将导电高分子材料与非 导电高分子材料混合，制备成复合材料的方 法。这种方法可以充分利用各种高分子材料 的优点，制备出性能优异的复合材料，但需 要解决相容性问题，以保证良好的导电性能。
04
CATALOGUE
导电高分子材料的性能参数
电导 率
总结词
电导率是导电高分子材料最重要的性 能参数之一，它决定了材料的导电能 力和效率。
物理掺杂法
总结词
通过物理方式将导电物质掺入高分子材料中， 使其获得导电性能的方法。
详细描述
物理掺杂法是一种简单易行的方法，通过将 导电物质如碳黑、石墨烯、金属纳米颗粒等 掺入高分子材料中，使其获得导电性能。这 种方法工艺简单，成本低，但导电性能受掺 杂物质种类和含量影响较大。
聚合物共混法
总结词
将导电高分子材料与非导电高分子材料混合， 形成具有导电性能的复合材料的方法。
导电高分子材料(3)幻灯片PPT
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目录： ⒈引言 ⒉导电高分子材料的隐身机理 ⒊红外与雷达波段复合材料 ⒋隐身导电高分子的研究方向
导电高分子材料的隐身机理
雷达隐身材料是通过对电磁波的吸收而实 现隐身效果的,因此,一方面要使电磁波最大 限度地进入材料内部而不是在外表反射;另 一方面要使进入材料内部的电磁波最大限 度地被吸收。要满足以上两个条件,材料的 电磁参数应相互匹配。
导电高分子的吸波机理主要是电损耗和介 电损耗。在雷达波的作用下,一方面材料被 反复极化,分子电偶极子力图跟上电磁场的 振荡而产生分子摩擦;另一方面由于材料电 导率不为零,电磁波在材料中形成感应电流 而产生热量,从而使得电磁波能量被耗散。
导电高分子材料由于具有大π共轭构造,表 现出了高的介电常数与介电损耗,而介电损 耗与材料的吸波性能密切相关。介电损耗 越大,材料的吸波性能越好。
导电高聚物由于其较高的电导率,具有一定 的金属相似性,显示出了独特的红外吸收与 红外反射特性。导电聚合物的红外发射率 远比普通聚合物低得多,这使得该类材料有 可能成为一种红外与微波兼容的隐身材料, 通过多层设计,可以获得轻质、宽频、多频 谱隐身的功能。
目前,导电高分子作为吸波材料的应用正由 单层构造向多层宽频吸收开展。另外,导电 高分子放置在大气中,它的室温电导率会随 时间而逐渐降低,而且掺杂剂本身不稳定,也 影响了导电高分子的适用温度范围。研究 导电高分子在电、光等条件下的电磁参数 的变化,设计合成智能隐身材料是导电高分 子隐身材料的重要研究方向。
导电高分子材料及其应用综述
导电高分子材料及其应用综述导电高分子材料（Conductive Polymer Materials）是指在室温下能够具有电导性能的高分子材料。
导电高分子材料以其独特的导电性能，广泛应用于电子技术、能源存储、敏感传感、生物医学等领域。
本文将综述导电高分子材料的种类、制备方法及其在各个领域的应用。
导电高分子材料种类繁多，常见的有聚苯胺（Polyaniline）、聚咔嚓（Polyacetylene）、聚苯乙烯（Polystyrene）等。
这些高分子材料通常通过掺杂或修饰来增加其电导性。
掺杂剂常用的有氧化剂、还原剂、离子等，修饰方法可以是在高分子材料上引入功能基团或接枝其他有机小分子。
导电高分子材料的制备方法有化学聚合法、电化学聚合法、溶液浇铸法等。
化学聚合法是将单体在化学反应条件下聚合为高分子材料，如聚合物链的活性自由基引发聚合法；电化学聚合法是通过电化学氧化或还原来实现高分子材料的聚合，如聚苯胺的电化学聚合法；溶液浇铸法是将聚合单体溶于适当的溶剂中，然后制备薄膜或纤维。
导电高分子材料在电子技术领域的应用十分广泛，例如，它们可用作导电薄膜、导电涂层和电磁屏蔽材料，以提高电子器件的性能；此外，它们还可用作电极材料和导电胶黏剂，用于柔性电子器件的制备。
在能源存储领域，导电高分子材料可用作超级电容器的电极材料和锂离子电池的导电添加剂，以提高电池的性能和循环寿命。
导电高分子材料还可用于敏感传感领域，例如，利用其导电性能可以制备传感器，实现对温度、湿度、光照等环境因素的监测。
另外，由于导电高分子材料具有良好的生物相容性和生物可降解性，它们还可以应用于生物医学领域，用作生物传感器、组织工程和药物释放等。
总结起来，导电高分子材料具有广泛的种类和制备方法，并在电子技术、能源存储、敏感传感、生物医学等领域有重要的应用。
未来，随着科学技术的不断发展，导电高分子材料的制备方法将更加多样化，应用领域也将进一步拓展。
导电高分子材料与器件
导电高分子材料与器件导电高分子材料是一类具有导电性能的聚合物材料，广泛应用于电子器件、传感器、光伏设备等领域。
本文将介绍导电高分子材料的基本原理、制备方法以及其在不同领域的应用。
一、导电高分子材料的原理导电高分子材料的导电性能源于其中的导电性掺杂物或功能团。
它们可以分为有机导电高分子和无机导电高分子两大类。
1. 有机导电高分子有机导电高分子采用有机导电聚合物作为基材，通常通过掺杂的方式引入电子供体或受体，从而调整材料的导电性能。
有机导电聚合物通常具有共轭结构，形成了类似于金属的电子能带结构，电子在材料内部的传导使其具有导电性能。
常见的有机导电高分子材料有聚噻吩、聚苯胺等。
2. 无机导电高分子无机导电高分子主要由无机导电材料制备而成，如金属、碳纳米管、石墨烯等。
这些无机材料具有良好的导电性能，能够在高分子基材中提供电子传导通道，从而赋予材料导电性。
无机导电高分子具有导电性能稳定、机械强度高等优点。
二、导电高分子材料的制备方法导电高分子材料的制备方法多种多样，可以通过物理方法或化学方法进行。
1. 物理方法最常用的物理制备方法是导电高分子材料的加工和复合。
例如，可以采用热压、注塑、挤出等方式将导电高分子与基材进行复合，形成导电高分子复合材料。
此外，还可以通过电化学沉积、溶液旋转涂覆等方法将导电高分子层薄覆盖在基材上。
2. 化学方法化学方法主要包括合成法和化学改性法。
合成法是指通过化学反应将导电性团体引入到基材中，形成导电高分子材料。
化学改性法则是通过对已有的高分子材料进行化学改性，引入导电性团体或进行导电材料的反应，提高其导电性能。
三、导电高分子材料的应用领域导电高分子材料具有导电性能和良好的可塑性，因此在各个领域都有广泛的应用。
1. 电子器件导电高分子材料在电子器件中起到了重要的作用。
例如，导电高分子可以用于制备柔性电子器件，如柔性显示屏、可穿戴设备等。
此外，导电高分子也可应用于电池、传感器等电子元件的制备。
导电高分子材料聚苯胺
苯胺简介及结构聚苯胺是一种具有金属光泽的粉末，因分子内具有大的线型共轭π电子体系，其自由电子可随意迁移和传递，而成为最具代表性的有机半导体材料。
与其他导电聚合物相比，聚苯胺具有结构多样化、耐氧化和耐热性好等特点，同时还具有特殊的掺杂机制。
MacDiarmid 重新开发聚苯胺后,在固体13C-NMR及IR研究的基础上提出聚苯胺是一种头尾连接的线性聚合物,由苯环-醌环交替结构所组成,但这种结构和后来出现的大量实验数据相矛盾。
1987年,MacDiarmid进一步提出了后来被广泛接受的苯式-醌式结构单元共存的模型,两种结构单元通过氧化还原反应相互转化。
即本征态聚苯胺由还原单元:和氧化单元:构成,其结构为:其中y值用于表征聚苯胺的氧化还原程度,不同的y值对应于不同的结构、组分和颜色及电导率,完全还原型(y=1)和完全氧化型(y=0)都为绝缘体。
在0<y<1的任一状态都能通过质子酸掺杂,从绝缘体变为导体,仅当y=0.5时,其电导率为最大。
聚苯胺的导电原理物质的导电过程是载流子(电子、离子等带电粒子) 在电场作用下定向移动的过程。
通常认为, 高分子聚合物导电必须具备两个条件:一是要能产生足够数量的载流子, 二是大分子链内和链间要能够形成导电通道。
纯的聚苯胺是绝缘体, 要使它变为导体需要掺杂, 就是掺入少量其他元素或化合物。
0<y<1的聚苯胺, 掺杂后能变为导体, y为0.5的中间氧化态聚苯胺(苯式-醌式交替结构) 掺杂后的导电性最好。
而y为1的完全还原态聚苯胺(全苯式结构) 和y为0的完全氧化态聚苯胺(全醌式结构) 即使掺杂也不能变为导体。
一种掺杂聚苯胺的结构式如图所示, x代表掺杂程度, A-是掺杂剂质子酸中的阴离子, y仍代表还原程度。
向聚苯胺中掺入质子酸是一种有效的掺杂方式, 但是使用普通有机酸及无机弱酸获得的掺杂产物电导率不高, 必须用酸性较强的质子酸(如H2SO4、H3PO4、HBr和HCl) 作掺杂剂才可得到电导率较高的掺杂态聚苯胺, 盐酸是最常用的无机掺杂酸。
导电高分子材料
导电高分子材料
导电高分子材料是具有导电性能的高分子材料，与传统的高分子材料相比具有以下优点：较低的电阻率、较高的导电性能以及可调控的导电性能。
这些优点使得导电高分子材料在众多领域有广泛的应用。
导电高分子材料的电阻率通常在0.1~10 Ωcm范围内，相比传
统的高分子材料的电阻率要低得多。
这是因为导电高分子材料通常含有导电粒子或导电链段，这些导电因素可以提供电子导电通道，从而降低电阻。
而且，导电高分子材料的电阻率还可以通过调控导电粒子的浓度、分散度以及材料的结构等因素进行调节，使其具备可调控的导电性能。
导电高分子材料具有较高的导电性能，能够在较低的电压下产生较大的电流。
这使得导电高分子材料在电子器件制造和柔性电子领域有广泛的应用。
例如，导电高分子材料可以用于制备柔性显示器、柔性太阳能电池和柔性传感器等。
此外，导电高分子材料还可以用于制备导电纤维、导电涂料和导电膜等产品。
导电高分子材料还具有许多其他优点，如良好的机械性能、优异的化学稳定性和较高的耐热性。
这些优点使得导电高分子材料在电气化学传感器、生物传感器和能量储存装置等领域有广泛的应用。
例如，导电高分子材料可以用作电能储存装置（如超级电容器和锂离子电池）的集流体、电解质和隔离膜等关键材料。
总之，导电高分子材料是一类具有良好导电性能的高分子材料，
具有较低的电阻率、较高的导电性能以及可调控的导电性能等优点。
其在电子器件制造、柔性电子、电气化学传感器、生物传感器和电能储存装置等领域有广泛的应用前景。
随着科技的进步和材料制备技术的发展，相信导电高分子材料将会在更多的领域获得应用。
导电高分子材料的电学与光学性能研究
导电高分子材料的电学与光学性能研究导电高分子材料是一类具有良好导电性能的聚合物材料，在电子工业、能源存储、传感器等领域具有广阔的应用前景。
本文将探讨导电高分子材料的电学与光学性能研究，旨在深入了解其物性特点及潜在的应用价值。
一、导电高分子材料的电学性能研究导电高分子材料的电学性能是其最基础的性质之一。
对导电高分子材料的电导率、电阻率等进行研究有助于理解其导电行为及材料结构与导电性能之间的关系。
导电高分子材料的电导率通常可以通过四探针法等实验手段进行测量。
研究发现，导电高分子材料的电导率与其导电高分子的质量分数、纳米填料的添加量以及高分子材料的结晶度等因素密切相关。
合理调控这些因素可有效提高导电高分子材料的电导率，从而满足不同领域对导电材料的需求。
电学性能的研究不仅包括导电性能，还涉及高分子材料的电容性能、介电性能等。
导电高分子材料的电容性能通常可以通过介电含量的研究来评估。
材料中的导电粒子对电容性能有着重要的影响，因为导电粒子之间的空间可用于容纳电荷。
同时，高分子材料中的填料也会影响材料的介电性能，通过研究填料的添加量、形态以及其与高分子材料之间的界面相互作用，可以更好地了解高分子材料的介电性能。
二、导电高分子材料的光学性能研究导电高分子材料的光学性能研究主要包括对其吸光性能、发光性能以及光电转换性能等的研究。
吸光性能的研究有助于了解导电高分子材料对不同波长光的吸收情况，为其在光电领域的应用提供基础。
通过合适的填料增强导电高分子材料的吸收能力，可以拓展其在光伏电池等能源转换器件中的应用。
发光性能的研究是导电高分子材料在光电器件中应用的关键之一。
研究表明，导电高分子材料的发光性能与其结晶度、光散射效应以及材料中其他添加剂的存在有很大的关系。
通过调控这些因素，可以实现导电高分子材料的发光颜色、亮度等方面的控制。
这为导电高分子材料在显示器件、光源、荧光标记等领域的应用提供了有力支持。
光电转换性能研究是导电高分子材料应用于光伏器件等能源转换领域的关键。
导电高分子的原理
导电高分子的原理导电高分子是一种特殊的高分子材料，它具有导电性能，可以实现电流的传导。
导电高分子的原理涉及到材料的分子结构和电子运动机制。
导电高分子的分子结构在普通高分子材料的基础上经过了特殊设计和改性。
一般来说，导电高分子内部含有一定比例的导电剂，如导电填料或导电聚合物。
导电填料可以是金属颗粒、纳米碳管等，而导电聚合物则由特殊的导电单体聚合而成。
导电剂的加入使得高分子材料具有了导电能力。
导电剂在导电高分子中起到了载流子的提供和导电通道的形成的作用。
导电剂内部存在着大量的自由电子，这些自由电子能够在外加电场的作用下移动并负责电流的传导。
当外加电场作用于导电高分子时，导电剂中的自由电子开始运动，并通过导电通道在高分子材料内部传导电流。
导电高分子的导电机制可以分为两种类型，即注入型导电和本征型导电。
注入型导电是指导电剂内的自由电子来源于外部电极的注入。
通常，这种导电机制需要外加电势和电极来提供自由电子。
而本征型导电则是指导电剂内的自由电子是由于导电剂本身特殊的电子能带结构而形成的，并不需要外部电极的注入。
在导电高分子中，导电通道的形成是实现导电的关键。
导电填料或导电聚合物中的导电剂能够形成导电通道，自由电子能够在通道中进行移动并传导电流。
导电通道的形成要求导电剂分散均匀，并能够形成连续的电子路径。
同时，导电高分子材料的基质也需要具有一定的绝缘性能，以增强导电通道的连续性。
导电高分子的导电性能受到导电剂含量、导电剂类型、导电剂形态以及高分子材料的性质等多个因素的影响。
一般来说，导电剂含量越高，导电性能越好。
不同类型的导电剂具有不同的导电特性，如金属颗粒导电剂具有高导电性能，而纳米碳管导电剂则具有优异的力学性能和导电性能。
此外，导电剂形态也对导电性能有影响，如导电填料的尺寸、形状和分布等。
总的来说，导电高分子通过导电剂的加入，形成导电通道并提供自由电子，从而实现电流的传导。
导电高分子材料在电子器件、传感器、电磁屏蔽等领域具有广泛应用前景。
功能高分子材料课件 第三章导电高分子材料资料
重点内容：
导电聚合物的结构特征（复合型、本征型）； 导电聚合物的基本的物理、化学特性； 导电聚合物的应用。
1
永久导电吸塑片材
吸塑导电海绵
PU导电海绵 主要用于电子 原器件仪器仪 表的包装。
本品表面电阻 达到102105Ω,本产品 是无炭黑型是 用导电高分子 材料制成，耐 水性好
13
第三章 导电高分子材料
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：
Rd
S
同样，对电导则有：
（3—3）
G S
d
（3—4）
14
第三章 导电高分子材料
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）。
（3—8）
由此可见，载流子浓度和迁移率是表征材料导 电性的微观物理量。
19
第三章 导电高分子材料
材料的导电率是一个跨度很大的指标。从最好 的绝缘体到导电性非常好的超导体，导电率可相差 40个数量级以上。根据材料的导电率大小，通常可 分为绝缘体，半导体、导体和超导体四大类。这是 一种很粗略的划分，并无十分确定的界线。在本章 的讨论中，将不区分高分子半导体和高分子导体， 统一称作导电高分子。
22
第三章 导电高分子材料
迄今为止，国内外对结构型导电高分子研究得 较为深入的品种有聚乙炔、聚对苯硫醚、聚对苯 撑、聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩以及TCNQ传荷络合 聚合物等。其中以掺杂型聚乙炔具有最高的导电 性，其电导率可达5×103～104Ω-1·cm-1（金属铜的 电导率为105Ω-1·cm-1）。
白川英树（1936— ），日本著名化学家因开发成 功了导电性高分子材料而成为2000年诺贝尔化学奖 三名得主之一
导电高分子材料
导电机理与结构特征 在有机化合物中电子以下面四种形式存在：
①内层电子 这种电子一般处在紧靠原子核的原子内层，
受到原子核的强力束缚，一般不参与化学反应，在正常电
场作用下也没有移动能力。 ②σ价电子 能够参与化学反应，并在化学键形成中起关键 作用的是外层电子，包括价电子和非成键电子。 ③n电子 这种电子被称为非成键外层电子，通常与杂原子 (O、N、S、P等)结合在一起，在化学反应中具有重要意义。 当孤立存在时n电子没有离域性，对导电能力贡献也很小。
掺杂会受到磁场的影响
遗憾的是目前为止还没有发现外加磁场对聚合物的室温电
导率有明显的影响
质子酸掺杂 ：一般通过化学反应来完成，近年发现也可
通过光诱导施放质子的方法来完成
还有掺杂—脱掺杂—再掺杂的反复处理方法，这种掺杂方
法可以得到比一般方法更高的电导率和聚合物稳定性
掺杂过程及掺杂剂
p-型掺杂：在高分子材料中加入氧化剂，在 其价带中除掉一个电子形成半充满能带（产 生空穴）。由于与氧化反应过程类似，也称 为氧化型掺杂。 p-型掺杂剂均为氧化剂。如 FeCl3,作为电子受体。 n-型掺杂：在高分子材料中加入还原剂，在其 导带中加入一个电子形成半充满能带（产生自 由电子），过程与还原反应过程类似，称为还 原型掺杂。 n-型掺杂剂均为还原剂，如碱金属， 作为电子给体。
无机半导体中的掺杂本质是原源自的替代掺杂量极低（万分之几）
导电高分子中的掺杂
是一种氧化还原过程
掺杂量一般在百分之几到百分之几十之 间 只起到对离子的作用，不参与导电
掺杂剂在半导体中参与导电
没有脱掺杂过程
掺杂过程是完全可逆的
目前掺杂的方式主要有两种 ：
氧化还原掺杂 ：可通过化学或电化学手段来实现 。化学
《导电高分子》课件
从植物中提取高分子物质，再通过化学反应将导电物质引入高分子链中。
04
导电高分子材料的性能 优化
掺杂技术
综述
掺杂技术是通过向高分子材料中添加其他物质， 以改变其导电性能的一种方法。
原理
掺杂剂与高分子材料相互作用，产生电子转移， 从而增加材料的导电性。
应用
广泛应用于聚乙炔、聚噻吩等导电高分子的性能 优化。
详细描述
这类材料结合了电子导电型和离子导电型高分子材料的优点，具有更高的导电性 能和稳定性，广泛应用于电极材料、传感器、电池等领域。混合导电型高分子材 料的制备工艺和性能调控是研究的重点和难点。
03
导电高分子的制备方法
化学合成法
聚合法
通过聚合反应将小分子单体转化为高分 子聚合物，是制备导电高分子的常用方 法。
环境友好性和可持续发展
可生物降解
开发可生物降解的导电高分子材料，降低对环境的污染。
资源回收
研究导电高分子的回收再利用技术，实现资源的可持续利用。
绿色合成方法
采用环保的合成方法制备导电高分子材料，减少对环境的负面影响 。
导电高分子的应用领域
导电高分子在电子领域的应用 主要包括集成电路、电极材料 、传感器等，可以替代传统的 金属材料，降低成本和提高性
能。
在通信领域，导电高分子可用 于制造电磁屏蔽材料、高频电 缆等，提高通信设备的电磁兼
容性和信号传输质量。
在能源领域，导电高分子可用 于太阳能电池、燃料电池等新 能源设备的电极材料和隔膜材 料，提高能源利用效率和设备 稳定性。
在环保领域，导电高分子可用 于污水处理、空气净化等方面 的电极材料和催化剂载体，改 善环境质量。
02
导电高分子材料的分类
导电高分子材料的设计与制备
导电高分子材料的设计与制备概述:导电高分子材料是一类具有导电性能的高分子材料，其广泛应用于电子行业、能源领域以及生物医药等领域。
本文将探讨导电高分子材料的设计和制备方法，以及其在不同领域的应用。
导电高分子材料的设计:导电高分子材料的设计需要从两个方面考虑：一是选择合适的高分子基体材料，二是引入导电性能较好的添加剂。
在选择高分子基体材料时，需要考虑其化学稳定性、机械强度以及成本等方面。
通常选择的高分子基体材料包括聚苯乙烯（PS）、聚丙烯（PP）等。
这些高分子基体材料在导电性方面较差，因此需要引入导电添加剂。
导电添加剂是提高高分子材料导电性的关键。
常用的导电添加剂包括碳黑、金属颗粒、导电聚合物等。
其中，碳黑是一种常见的导电添加剂，它具有良好的导电性能和化学稳定性，常用于制备导电高分子复合材料。
导电高分子材料的制备方法:导电高分子材料的制备方法有许多，下面介绍其中常用的两种方法。
一种方法是物理混合法。
该方法将高分子基体材料和导电添加剂通过机械混合的方式获得导电高分子材料。
例如，将高分子基体材料与碳黑相混合，经过加热、压制等工艺步骤，得到导电性能较好的复合材料。
另一种方法是化学改性法。
该方法将导电添加剂通过化学反应与高分子基体材料结合，以提高导电性能。
例如，将金属颗粒与高分子基体材料进行化学修饰，利用金属颗粒与高分子基体之间的相互作用提高导电性能。
导电高分子材料的应用:导电高分子材料在各个领域都有广泛的应用。
在电子行业中，导电高分子材料可用于制造柔性电子产品，如柔性显示屏、柔性电池等。
其柔性特性使得这些产品更加轻薄便携，并且具备较高的导电性能。
在能源领域中，导电高分子材料可用于制备超级电容器、锂离子电池等。
其导电性能和化学稳定性使得这些能源设备具备高能量密度和长寿命等特点。
在生物医药领域中，导电高分子材料可用于制备生物传感器、人工智能仿生器官等。
其生物相容性和导电性能使得这些医疗器械具备更好的生物相容性和较高的灵敏度。
导电高分子材料(上)
载流子的密度是衡量材料导电能力的重要参数之一。
06/38
3.1.1 导电的基本概念
材料的导电类型通常根据载流子的不同进行划分：
电子导电（载流子是自由电子或空穴） 如：金属材料
离子导电（载流子是正离子或负离子） 如：电解质溶液
07/38
09/38
世界上第一种导电聚合物：掺杂聚乙炔
• 1977年，美国化学家MacDiarmid，物理学家 Heeger和日本化学家Shirakawa首次发现掺杂碘的 聚乙炔具有金属的特性,并因此获得2000年诺贝尔化 学奖。
• 使用Ziggler-Natta催化剂AlEt3/Ti(OBu)4,Ti的浓度 为3mmol/L，Al/Ti约为3-4。催化剂溶于甲苯中， 冷却到-78度,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105S/cm量级
小，相容性好）
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导电填充材料的选择原则（P64）
• 碳系填料（炭黑、石墨、碳纤维等） • 金属系填料（金、银、铜、镍粉等） • 金属氧化物填料（氧化锡、氧化钛等）
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3.2.4 复合型导电高分子材料的制备方法
➢反应法 ➢混合法 ➢压片法
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复合型导电高分子材料的制备方法 反应法
其中以分散复合最为常用。
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复合型导电高分子
与结构型导电高分子不同，在复合型导电高分 子中，高分子材料本身并不具备导电性，只充当了 粘合剂的角色。导电性是通过混合在其中的导电性 的物质（如炭黑、金属粉末等）获得的。
由于它们制备方便，有较强的实用性，因此在结构型导 电高分子尚有许多技术问题没有解决的今天，人们对它 们有着极大的兴趣。
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材料导电性能的表征方式
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。
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：
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。
本讲座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。
H－C≡C－H
Ti(OC4H9)4 Al(C2H5)3
1000 倍催化剂
温度
10-5～10-7 S/m 10 -3 ～10-2 S/m 【第4页】
导电高分子是如何发现的（续）？
1975年，黑格、麦克迪尔米德与白川英树合作进行研究，他们 发现当聚乙炔曝露于碘蒸气中进行掺杂氧化反应（doping）后， 其电导率令人吃惊地达到3000 S/m。 。
【第7页】
导电高分子的定义和一些基本概念
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）。
【第9页】
2. 导电高分子材料导电性的表征
材料导电性能的表示方法
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，电导可由下式表示：
RV I
G I V
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：
Rd
S
G S
d
1
1
m
S
m
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。
【第10页】
材料导电性能的产生差异的原因
能带间隙 (Energy Band Gap)
金属之Eg值几乎为0 eV ，半导体材料Eg值在1.0~3.5 eV 之间，绝缘体之Eg值则远大于3.5 eV。
四烯转换了聚乙炔，其导电率达到35000 S/m，但是难以加工且不稳 定。 1987年，德国BASF科学家 N. Theophiou对聚乙炔合成方法进行了改 良，得到的聚乙炔电导率与铜在同一数量级，达到107 S/m。 除 了 最 早 的 聚 乙 炔 （ PA） 外 ， 主 要 有 聚 吡 咯 （ PPY）、 聚 噻 吩 （PTH）、聚对苯（PPV）、聚苯胺（PANI）以及他们的衍生物。 其中聚苯胺结构多样、掺杂机制独特、稳定性和高技术应用前景广 泛，在目前的研究中备受重视。 其中聚乙炔的所能达到的电导率在已发现的导电聚合物中是最高的， 达到了105 S/cm量级，接近Pt和Fe的室温电导率。
I NqS
【第12页】
材料导电性能的表征方式（续）
而载流子的迁移速度ν通常与外加电场强度E成正比：
【第3页】
导电高分子是如何发现的（续）？
上世纪七十年代日本筑波大学白川英树使用Ziggler–Natta催化 剂AlEt3/Ti(OBu)4，Ti的浓度为3 mmol/L，Al/Ti约为3～4。催 化剂溶于己烷中，冷却到-78℃，通入乙炔，可在溶液表面生 成紫铜色的顺式聚乙炔薄膜。
1974年，白川英树的学生在合成聚乙炔的实验中，偶然地投入 过量1000倍的催化剂，合成出令人兴奋的银色光泽的反式聚乙 炔薄膜。掺杂后电导率达到10-3－10-2 S/m量级。
【第5页】
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6页】
导电高分子后续研究成果
1980年，英国Durham大学的W. Feast得到更大密度的聚乙炔。 1983年，加州理工学院的H. Grubbs以烷基钛配合物为催化剂将环辛
《电子材料》第三讲
导电高分子材料
授课提纲
一、导电高分子概述 二、导电高分子的分类 三、导电高分子的导电机理 四、导电高分子研究进展及应用
1. 导电高分子材料的基础知识
导电高分子是如何发现的？
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， 如果按电阻率≤104 Ω·m（≥10-4 S/m）的材料为导电材料的定义划 分，通常高分子材料通常属于绝缘体的范畴。
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念（续）
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。
1977年美国科学家黑格、麦克迪尔米德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。
初期的实验发现与理论积累
1862年英国Letheby在硫酸中电解苯胺而得到少量导电性物质； 1954年米兰工学院G. Natta用AlEt3–Ti(OBu)4为催化剂制得聚乙炔； 1970年科学家发现类金属的无机聚合物聚硫氰(SN)x具有超导性。