58、导电聚合物：原理、合成与应用探索

导电聚合物：原理、合成与应用探索

1. 引言

导电聚合物领域在30多年前被发现后，便成为了研究热点。起初人们希望用其替代传统金属，但后来发现其更大的价值在于开拓新的应用领域。2000年，三位科学家因“导电聚合物的发现与发展”获得诺贝尔化学奖，他们分别是美国加州大学圣巴巴拉分校的Alan J. Heeger教授、美国宾夕法尼亚大学的Alan G. MacDiarmid教授以及日本筑波大学的Hideki Shirakawa教授。

导电聚合物是具有扩展C=C共轭键体系的材料，通过还原或氧化反应（掺杂）可获得电导率高达10⁵ S/cm的材料。它与填充炭黑或金属的聚合物不同，后者只有当导电颗粒相互接触形成连续相时才导电。

2. 导电原理

材料的电学性质由其电子结构决定，能带理论可解释金属、半导体和绝缘体的不同行为。能带间隙是最高占据能级（价带）和最低未占据能级（导带）之间的能量间距。金属的能带间隙为零，电子迁移率高，导电性好；半导体的能带间隙较窄（约2.5 - 1.5 eV），只有在电子从价带激发到导带时才导电；绝缘体的能带间隙较大（3 eV），电子难以跨越间隙，不导电。

然而，像聚亚苯基、聚乙炔或聚吡咯等导电有机材料，能带理论无法解释其载流子（电子或空穴）无自旋的现象。目前认为，极化子和双极化子传导是有机材料中电荷传输的主要机制。低掺杂水平产生极化子，高掺杂水平产生双极化子，它们都能在聚合物链上移动。

3. 掺杂过程

掺杂是将绝缘聚合物（如聚乙炔，电导率0.1 S/cm）转变为优良导体的过程。通过电子供体（如钠或钾，n型掺杂，还原）或电子受体（如I₂、AsF₅或FeCl₃，p型掺杂，氧化）形成电荷转移