导电聚合物

导电聚合物，或更精确地说，本征导电聚合物（ICP的）是有机聚合物的是行为 的电力。这种化合物可以具有金属导电性，也可以是半导体。导电聚合物的xxx优点是其可加工性，主要是通过分散。导电聚合物通常不是热塑性塑料。即，它们是不可热成型的。但是，就像绝缘聚合物一样，它们是有机材料。它们可以提供高电导率，但不会显示出与其他市售聚合物相似的机械性能。可以使用有机合成方法和先进的分散技术对电性能进行微调。

尽管大多数工作在小于100纳米的量子领域，但“分子”电子过程可以集体地在宏观上显现。示例包括量子隧穿，负电阻，声子辅助跳变和极化子。1977年，Alan J. Heeger，Alan MacDiarmid和Hideki Shirakawa报告了在氧化碘掺杂的聚乙炔中具有类似的高电导率。在这项研究中，他们因“发现和开发导电聚合物”而获得了2000年诺贝尔化学奖 。聚乙炔本身并未发现实际应用，但引起了科学家的注意，并鼓励了该领域的快速发展。自1980年代后期以来，有机发光二极管（OLED）成为导电聚合物的重要应用。

线性骨干“聚合物黑”（聚乙炔、聚吡咯、聚吲哚和聚苯胺）及其共聚物是导电聚合物的主要类别。聚（对亚苯基亚乙烯基）（PPV）及其可溶衍生物已作为典型的电致发光半导体聚合物出现。今天，聚（3-烷基噻吩）是太阳能电池和晶体管的典型材料。

导电聚合物可以通过许多方法制备。大多数导电聚合物是通过单环前体的氧化偶联制备的。此类反应需要脱氢：

大多数聚合物的低溶解度提出了挑战。一些研究人员向一些或所有单体中添加了可溶解的官能团，以增加溶解度。其他人通过在水中形成纳米结构和表面活性剂稳定的导电聚合物分散体解决了这一问题。这些包括聚苯胺纳米纤维和PEDOT：PSS。在许多情况下，导电聚合物的分子量低于诸如聚乙烯的常规聚合物。但是，在某些情况下，分子量不需要很高即可达到所需的性能。

有两种主要的合成导电聚合物的方法，化学合成和电聚合。的化学合成手段通过将各种条件下的简单单体，如加热、压制、曝光和催化剂连接的单体的碳-碳键。优点是高产量。但是，最终产品中可能存在许多杂质。电聚合是指将三个电极插入包括反应器或单体的溶液中。通过向电极施加电压，促进了氧化还原反应以合成聚合物。电聚合也可分为循环伏安法通过施加循环电压和恒定电压来实现恒电位方法。电聚合的优点是产物的高纯度。但是该方法一次只能合成几个产品。

这种聚合物的电导率是几种方法的结果。例如，在诸如聚乙烯的传统聚合物中，价电子以sp ³杂交的共价键结合。这样的“西格玛键合电子”具有低迁移率并且对材料的导电性没有贡献。但是，在共轭材料中，情况完全不同。导电聚合物具有连续的sp ²杂化碳中心的主链。在每个中心驻留在AP一个价电子_Ž轨道，正交于其它三个Σ-键。所有P _ž轨道彼此结合形成分子范围的离域轨道集。当材料被氧化“掺杂”时，这些离域轨道中的电子具有很高的迁移率，从而去除了一些离域电子。因此，共轭p轨道形成一维电子带，该带内的电子在被部分清空时会移动。可以通过紧密结合模型轻松计算出导电聚合物的能带结构。原则上，可以通过还原来掺杂这些相同的材料，这会将电子添加到否则未填充的能带中。在实践中，大多数有机导体被氧化掺杂以产生p型材料。的有机导体的氧化还原掺杂类似于硅半导体的掺杂，由此一小部分硅原子通过富电子，代替例如，磷或贫电子，例如，硼原子，用以产生n型和p型型半导体。

尽管通常“掺杂”导电聚合物涉及氧化或还原材料，但是与质子溶剂缔合的导电有机聚合物也可以是“自掺杂的”。

未掺杂的共轭聚合物状态是半导体或绝缘体。在此类化合物中，能隙可能大于2 eV，对于热激活传导而言太大。因此，未掺杂的共轭聚合物，例如聚噻吩，聚乙炔仅具有约10 ^-10至10 ^-8 S / cm 的低电导率。即使在非常低的掺杂水平（<1％）下，电导率也会增加几个数量级，达到大约0.1 S / cm的值。随后对导电聚合物进行掺杂将导致不同聚合物的电导率饱和在0.1-10 kS / cm左右。迄今为止报道的最高值是拉伸取向聚乙炔的电导率，证实值为约80 kS / cm。尽管聚乙炔中的π电子沿着链是非定域的，但原始的聚乙炔不是金属。聚乙炔具有交替的单键和双键，其长度分别为1.44和1.36Å。掺杂后，键改变在电导率增加中减小。电导率的非掺杂增加也可以在场效应晶体管（有机FET或 OFET）中并通过辐射来实现。一些材料还表现出负的差分电阻和电压控制的“开关”，类似于在无机非晶半导体中看到的那样。

尽管进行了深入研究，但对形态，链结构和电导率之间的关系仍然知之甚少。一般来说，假设电导率应该是较高的结晶度和链更好地协调的更高，但是这无法证实聚苯胺和最近才被证实PEDOT，这是在很大程度上是非晶态的。

由于其差的可加工性，导电聚合物几乎没有大规模应用。它们在抗静电材料中很有前途，并且已被结合到商业显示器和电池中，但是由于制造成本、材料不一致性、毒性、在溶剂中的溶解性差以及无法直接熔融过程而受到限制。文献表明，它们在有机太阳能电池、印刷电子电路、有机发光二极管、致动器、电致变色、超级电容器、化学传感器和生物传感器中也很有前景，柔性透明显示器、电磁屏蔽并可能替代流行的透明导体氧化铟锡。另一个用途是用于微波吸收涂层，特别是隐形飞机上的雷达吸收涂层。导电聚合物在越来越多的可加工材料中具有更好的电学和物理性能以及更低的成本，在新的应用中迅速获得吸引力。导电聚合物的新型纳米结构形式尤其以其较高的表面积和更好的分散性扩大了这一领域。研究报告表明，与非纳米结构的导电聚合物相比，纳米纤维和纳米海绵形式的纳米结构导电聚合物显示出明显改善的电容值。

有了稳定且可重现的分散体，PEDOT和聚苯胺已获得了一些大规模的应用。PEDOT（聚（3,4-乙撑二氧噻吩））主要用于抗静电应用，并以PEDOT：PSS分散体（PSS = 聚苯乙烯磺酸）的形式用作透明导电层，而聚苯胺则广泛用于印刷电路板制造–最终表面处理，用于保护铜免受腐蚀并防止其可焊性。此外，由于其高的氧化还原活性、热稳定性、聚吲哚也开始引起各种应用的关注。和降解性能比竞争者聚苯胺和聚吡咯慢。

电致发光是电流激发的发光。在有机化合物中，电致发光自1950年代初就已为人所知，当时，伯纳糖和他的同事们首先在a啶橙和奎纳克林的结晶薄膜中产生电致发光。1960年，陶氏化学的研究人员使用掺杂剂开发了交流驱动的电致发光电池。在一些情况下，当将电压施加到导电有机聚合物膜的薄层时，观察到类似的发光。尽管电致发光最初主要是在学术上引起人们的兴趣，但现代导电聚合物导电性的提高意味着可以在低电压下将足够的功率通过该设备以产生实用量的光。这个属性导致了发展使用有机LED、太阳能电池板和光放大器的平板显示器。

由于大多数导电聚合物都需要氧化掺杂，因此最终状态的特性至关重要。这样的材料是盐状的（聚合物盐），这降低了它们在有机溶剂和水中的溶解度，从而降低了它们的可加工性。此外，带电的有机主链通常对大气湿度不稳定。许多聚合物的可加工性差，需要引入增溶剂或取代基，这会使合成进一步复杂化。

实验和理论热力学的证据表明，导电聚合物甚至可能是完全不溶的，因此只能通过分散处理。

最近的重点是有机发光二极管和有机聚合物太阳能电池。有机电子协会是促进有机半导体应用的国际平台。具有嵌入式和改进的电磁干扰（EMI）和静电放电（ESD）保护的导电聚合物产品造就了原型和产品。例如，奥克兰大学的高分子电子研究中心正在开发一系列基于导电聚合物、光致发光聚合物和无机纳米晶体（量子点）的新型DNA传感器技术，以实现简单，快速和灵敏的基因检测。典型的导电聚合物必须被“掺杂”以产生高导电率。从2001年开始，仍然有待发现本质上导电的有机聚合物。最近，IMDEA纳米科学研究所的研究人员报道了对一维聚合物进行合理工程设计的实验论证，该聚合物位于从量子级到非平凡级的量子相变附近，因此具有窄的带隙。

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