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。
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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
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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。