共轭聚合物的电学性质姓名:周宇班级：10级高分子材料与工程1班学号：201015014021摘要：共轭导电聚合物是一种极有应用前景的功能高分子材料，简单了解共轭导电聚合物的导电特性、应用以及共轭导电聚合物在制作二次电池、新型电子器件等方面具有独特的特性和优点。

关键词：共轭聚合物电学性质应用及发展前言导电高分子的研究和应用是近年来高分子科学最重要的成就之一。

1974年日本白川英树等偶然发现一种制备聚乙炔自支撑膜的方法，得到聚乙炔薄膜不仅力学性能优良，且有明亮金属光泽。

而后MacDiarmid、Hedger、白川英树等合作发现聚乙炔膜经过AsF5、I2等掺杂后电导率提高13个数量级，达到103S•cm-1，成为导电材料。

这一结果突破了传统的认为高分子材料只是良好绝缘体的认识，引起广泛关注。

由于共轭导电聚合物同时具有聚合物、无机半导体和金属导体的特性，因而具有巨大的潜在的商业应用价值。

在这里就聚合物的导电性及共轭聚合物材料的特性及其应用作一扼要介绍。

正文一．聚合物的电学性质高分子材料的电学性能是指在外加电场作用下材料所表现出来的介电性能、导电性能、电击穿性质以及与其他材料接触、摩擦时所引起的表面静电性质等。

（一）聚合物的介电性能聚合物在外电场作用下贮存和损耗电能的性质称介电性,这是由于聚合物分子在电场作tg表示.用下发生极化引起的，通常用介电系数ε和介电损耗1.介电损耗电介质在交变电场中极化时,会因极化方向的变化而损耗部分能量和发热,称介电损耗。

介电损耗产生的原因有两方面:一为电导损耗,是指电介质所含的微量导电载流子在电场作用下流动时，因克服电阻所消耗的电能;二为极化损耗,这是由于分子偶极子的取向极化造成的.对非极性聚合物而言,电导损耗可能是主要的.对极性聚合物的介电损耗而言,其主要部分为极化损耗.2聚合物介电性能影响因素（1）分子结构的影响在几种介质极化形式中，偶极子的取向极化偶极矩最大,影响最显著.因此,高分子材料的介电性能首先与材料的极性有关.（2）温度的影响对极性聚合物的取向极化而言, 温度升高一方面使材料粘度下降,有利于极性基团取向,另一方面又使分子布朗运动加剧,反而不利于取向.当温度低时,介质粘度高,偶极子取向程度低且取向速度极慢,因此ε'和ε''都很小.随着温度升高,介质粘度降低,偶极子取向能力增大（因而ε'增大）,但由于取向速度跟不上电场的变化，取向时消耗能量较多,所以ε''也增大.温度进一步升高,偶极子取向能完全跟得上电场变化,ε'增至最大,但同时取向消耗的能量减少,ε''又变小.温度很高时,偶极子布朗运动加剧,又会使取向程度下降,能量损耗增大.（3）电场频率的影响材料的动态力学性能相似，高分子材料的介电性能也随交变电场频率而变。

当电场频率较低时介电系数ε'大，介电损耗小, 在高频区，介电系数ε'降低到只有原子极化、电子极化所贡献的值，介电损耗ε''也很小。

在中等频率范围内，ε''会逐渐增大出现极大值，而介电系数ε'随电场频率增高而下降。

（4）杂质的影响杂质对聚合物介电性能影响很大，尤其导电杂质和极性杂质（如水份）会大大增加聚合物的导电电流和极化度，使介电性能严重恶化。

对于非极性聚合物来说，杂质是引起介电损耗的主要原因。

因此对介电性能要求高的聚合物，应尽量避免在成型加工中引入杂质。

（二）聚合物的导电性能及其表征1.体积电阻与表面电阻材料导电性通常用电阻率ρ或电导率σ表示，两者互为倒数关系。

按定义有：σρ/1=⋅=dS R 式中R 为试样的电阻，S 为试样截面积，d 为试样长度（或厚度，为电流流动方向的长度）。

从微观导电机理看，材料导电是载流子（电子、空穴、离子等）在电场作用下在材料内部定向迁移的结果。

设单位体积试样中载流子数目为n 0，载流子电荷量为q 0，载流子迁移率（单位电场强度下载流子的迁移速度）为ν，则材料电导率σ等于：νσ00q n =电阻率ρ和电导率σ都是表征材料本征特性的物理量，与试样的形状尺寸无关。

在实际应用中，根据测量方法不同，人们又将试样的电阻区分为体积电阻和表面电阻。

将聚合物电介质置于两平行电极板之间，施加电压V ，测得流过电介质内部的电流称体积电流v I ，按欧姆定律，定义体积电阻等于：v v I V R /=若在试样的同一表面上放置两个电极，施加电压V ，测得流过电介质表面的电流称表面电流s I ，同理，表面电阻定义为：s s I V R /=根据电极形状不同，表面电流的流动方式不同，表面电阻率的定义也有差别。

对于平行电极，bL R s s =ρ，L 、b 分别是平行电极的长度和间距。

对于环型电极，设外环电极内径和内环电极外径分别为D 2、D 1，()12/ln 2D D R ss πρ=。

注意表面电阻率s ρ与表面电阻s R 同量纲。

体积电阻率是材料重要的电学性质之一，通常按照v ρ的大小，将材料分为导体、半导体和绝缘体三类：v ρ=0～103Ω·cm ，导体；103～10 8Ω·cm ，半导体；108～1018（或>1018） Ω·cm ，绝缘体。

表面电阻率与聚合物材料抗静电性能有关。

2.聚合物绝缘体大多数高分子材料的体积电阻率很高（约1010～1020Ω·cm ），是良好绝缘材料。

在外电场作用下，体积电流很小。

这些电流可分为三种：一是瞬时充电电流d I ，由加上电场瞬间的电子和原子极化引起；二是吸收电流a I ，可能由偶极取向极化、界面极化和空间电荷效应引起；三是漏电电流b I ，是通过聚合物材料的恒稳电流。

充电电流和吸收电流存在的时间都很短，高分子材料的导电性能（绝缘性能）只取决于漏电电流。

如前所述，材料的导电性能主要取决于两个参数：单位体积试样中载流子浓度和载流子迁移率。

高分子材料内的载流子很少。

已知大分子结构中，原子的最外层电子以共价键方式与相邻原子键接，不存在自由电子或其它形式载流子（具有特定结构的聚合物例外）。

理论计算表明，结构完整的纯聚合物，电导率仅为10－25S ·cm -1。

但实际聚合物的电导率往往比它大几个数量级，表明聚合物绝缘体中载流子主要来自材料外部，即由杂质引起的。

这些杂质来自于聚合物合成和加工过程中，包括：少量没有反应的单体、残留的引发剂和其他各种助剂以及聚合物吸附的微量水分等。

例如，在电场作用下电离的水，H 2O ↔H ++OH － 就为聚合物提供了离子型载流子。

水对聚合物的绝缘性影响最甚，尤其当聚合物材料是多孔状或有极性时，吸水量较多，影响更大。

例如以橡胶填充的聚苯乙烯材料在水中浸渍前后电导率相差两个数量级，而用木屑填充的聚苯乙烯材料在同样情况下电导率猛增八个数量级。

载流子迁移率大小决定于载流子从外加电场获得的能量和热运动碰撞时损失的能量。

研究表明，离子型载流子的迁移与聚合物内部自由体积的大小有关，自由体积越大，迁移率越高。

电子和空穴型载流子的迁移则与大分子堆砌程度相关，堆砌程度高，有利于电子跃迁，若堆砌能产生π电子云的交叠，形成电子直接通道，导电性会突增。

对离子型导电材料，温度升高，载流子浓度和载流子迁移率均按指数率增加，因此材料电导率随温度按以下规律变化：RT E e /0C -=σσ式中σ0是材料常数，E c称电导活化能。

当聚合物发生玻璃化转变时，电导率或电阻率曲线将发生突然转折，利用这一原理可测定聚合物的玻璃化温度。

结晶、取向，以及交联均使聚合物绝缘体电导率下降，因为通常聚合物中，主要是离子型导电，结晶、取向和交联会使分子紧密堆砌，降低链段活动性，减少自由体积，使离子迁移率下降。

例如，聚三氟氯乙烯结晶度从10%增加至50%时，电导率下降10～1000倍。

二．共轭聚合物的电学性质及应用（一）共轭聚合物的电学性质1. 导电性共轭导电聚合物的电导率强烈依赖于主链结构、掺杂程度、掺杂的性质、外加电场、合成的方法、合成的条件和温度等因素。

对聚合物掺杂的结果表明，在掺杂量为1% 时，电导率上升5～7 个数量级；当掺杂量增至3% 时，电导率已趋于饱和。

共轭导电聚合物具有正的温度系数，电导率随温度的增加而增加。

共轭导电聚合物与无机半导体一样，其电导率依赖于外加电场，可观察到非欧姆电导现象。

共轭导电聚合物的电导率同样受合成方法的影响极大。

此外，共轭导电聚合物的电导率随共轭链长度的增加而呈指数快速增加，提高共轭链的长度是提高其导电性的重要手段之一。

2.光电导性质光电导是指物质受光激发后产生电子和空穴载流子，它们在外电场的作用下移动，在外电路中有电流通过的现象。

当物质中含有共轭性很好的骨架时，它的光电导性就大。

有学者对聚乙炔的光电导也进行了研究，并采用反式聚乙炔制成了电光调制器。

3.体积的电位响应在共轭导电聚合物中掺杂的离子在聚合物的分子链之间往往形成柱状阵列，随着掺杂浓度的提高，后继嵌入的掺杂离子可能进入此前形成的阵列中，也可能形成新的阵列，并导致分大子链相互分离。

在电场作用下，对聚合物的掺杂过程实际上是一个氧化-还原过程。

共轭导电聚合物处于不同的氧化态时，其体积有显著的不同，即对于外加电压会产生体积响应。

根据这一特性，可用来仿制人工肌肉。

4.电致发光共轭导电聚合物中均存在由碳原子等的pz轨道相互重叠形成的大π 键。

量子力学计算表明，当反式聚乙炔的大π 键达到8 个以上碳原子链长时即具有电子导电性。

共轭导电聚合物的能带结构与无机半导体相似。

当以能量大于导带与价带之间的能量差(即禁带宽度)的入射光照射半导体时，其价带中的电子可以吸收光能而被激发进入导带，从而在导带中形成自由电子，在价带中产生空穴。

处于导带中的激发态电子不稳定，会自发向基态弛豫，与价带中的空穴复合，将所吸收的光能重新释放出来，从而产生光致发光。

由于电致发光是电子和空穴结合而发光的过程，如果在直流正向电压的作用下，分别从正极注入空穴和从负极注入电子致发光层中(半导体的价带和导带中)，则由于库仑引力而形成激子，激子可以经复合发光，即为电致发光。

（二）共轭导电聚合物材料1.导电材料共轭导电聚合物具有金属导电性，并且有聚合物的优点，本应该能作为金属替代材料应用于电力输送、电子线路等方面；但是由于大多数不能同时达到高电导率和稳定性，并且其溶解性差，使得难以加工，限制了其应用范围。

目前，共轭导电聚合物主要用于对导电性能要求不高的领域，作为抗静电添加剂、电磁波屏蔽材料等。

2.太阳能电池共轭导电聚合物的光电导特性以及其具有价格便宜、可大量生产、器件制造简单而可大面积化等优点，可作为太阳能电池的材料而引起了世界各国的广泛关注。

在80 年代初，以PN 结为基础的聚乙炔膜太阳能电池的研究开始活跃，聚乙炔是最理想的光电材料，其能隙为1.5 eV；1980 年，A G MacDiarmid 报道了聚乙炔的PEC 池(光化学池)；在80 年代末，聚乙炔膜太阳能电池进入商业性试用阶段。