导电高分子材料ppt课件.ppt

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1、16.1.3聚合物导电材料电子导电型聚合物电子导电高分子材料导电机理与结构特征电子导电聚合物的性质电子导电聚合物的制备方法电子导电聚合物的性质与应用2导电高分子的分类3导电聚合物复合型导电高分子材料：有普通的高分子结构材料与金属或碳等导电材料，通过分散，层合，梯度聚合，表面镀层等复合方式构成，其导电作用主要通过其中的导电材料来完成。结构型导电高分子材料：其高分子本身具备传输电荷的能力结构型导电高分子材料根据载流子的属性和导电形式划分为：电子导电高分子材料离子导电高分子材料氧化还原导电高分子材料45电子导电聚合物的导电机理与结构特征定义：载流子是自由电子或空

2、穴的导电聚合物是电子导电聚合物结构特征：分子内有大的线性共轭π体系，给载流子-自由电子提供利于迁移的条件6①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。在有机化合物中电子以下面四种形式存在：导电机理与结构特征7④π价电子两个成键原子中

3、p电子相互重叠后产生π键，构成π键的电子称为π价电子。当π电子孤立存在时这种电子具有有限离域性，电子在两个原子之间可以在较大范围内移动。当两个π键通过一个σ键连接时，π电子可以在两个π键之间移动，这种分子结构称为共轭π键。导电机理与结构特征导电机理与结构特征所有已知的电子导电型高分子材料的共同结构特征为分子内具有非常大的共轭π电子体系，具有跨键移动能力的π价电子成为这一类高分子材料的唯一载流子。例如聚乙炔，聚芳香烃和芳香杂环。9导电机理与结构特征常见电子导电高分子材料的分子结构：10导电机理与结构特征π电子虽具有离域能力，但它并不是自由电子。因为电子若要在

4、共轭π电子体系中自由移动，首先要克服价带与导带之间的能级差。因此，这一能级差的大小决定了共轭性聚合物的导电能力的高低。11导电机理与结构特征下面就以聚乙炔为例进行讨论：(CH)x的价电子轨道12随着聚合物链增长，π电子体系扩大，出现被电子占据的π成键轨道和空的π*反键轨道，形成能带，其中π成键轨道形成价带，而π*反键轨道则形成导带。但是，如下图所示，两个能带在能量上存在着一个差值分子共轭体系中能级分裂示意图13导电机理与结构特征而导电状态下p电子离域运动必须越过这个能及差，也就是说如果电子要在共轭π电子体系中自由移动，首先要克服价带与导带之间的能及差的，也

5、就是说这一能级差的大小决定了共轭型聚合物的导电能力的高低———Peierls过渡理论14导电机理与结构特征根据Peierls过渡理论，压制Peierls过程，可减小能级差，改变能带中电子的占有状况，提高导电高分子材料导电能力。实现这一目标的首要手段之一就是“掺杂”。所谓“掺杂”过程就是采用氧化还原反应改变导带或价带中电子的占有情况，使其能级发生变化，从而减小能带差。15导电机理与结构特征孤子导电理论：孤子导电理论认为在分子共轭体系中单双健的交替排列是不均匀一致的，在某些位置会发生单个p电子不能配对成键的情况，这种类似于自由基的电子被称为孤子，它们在分子中的

6、位置可以在电场的作用下定向移动，构成载流子导电。16电子导电聚合物的性质对电子导电聚合物进行掺杂常用的有两种方式：①同半导体材料的掺杂一样，通过加入第二种具有不同氧化态的物质进行“物质掺杂”。②通过聚合物材料在电极表面进行电化学氧化或还原反应直接改变荷电状态的“非物质掺杂”。掺杂过程、掺杂剂及掺杂量与电导率之间的关系17电子导电聚合物的性质特殊情况可选择如下掺杂方法：①酸碱化学掺杂：主要是对聚苯胺型导电高分子材料而言，在与质子酸反应后聚苯胺中的氨基发生质子化，引起分子内电子转移，改变分子轨道荷电状态，产生载流子；②光掺杂：当导电高分子材料吸收光能之后价电子

7、跃迁到导带（最低空轨道），分子进入激发态，然后解离产生正负离子对（电子-空穴对），正负离子分开构成载流子；③电荷注入掺杂：利用各种电子注入方法直接将电子注入导电高分子材料，改变其分子轨道荷电状态。掺杂过程及掺杂剂18掺杂方法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，

8、如碱金属，作为电子给体。掺杂的作用19p-型掺杂时：掺杂剂从聚合物