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　　自从1977年，美国化学家 MacDiarmid，物理学家Heeger和日本化学家Shirakawa首次发现掺杂碘的聚乙炔具有金属的特性 以来，导电聚合物受到了各国科学家，产业界和政府的高度重视。导电聚合物的出现不仅打破了聚合物仅能作为绝缘体的传统观念，而且为低维的有机固体电子学的 建立和完善做出了重要贡献，进而为分子电子学打下了基础。作为分子器件研究的重要组成部分，导电聚合物研究的重大突破将直接带来分子器件研究的重要进展。 因此，导电聚合物的研究具有很重要的科学意义，已经被IUPAC列为21世纪化学研究的重要内容。

　　导电聚合物是由具有共轭π键的聚合 物经过化学和电化学的掺杂而形成的，通过掺杂将部分电子从分子链中迁移出来从而使得电导率由绝缘体级别跃迁至 导体级别。导电聚合物除了具有高分子聚合物的一般的结构特点外还含有一价的对阴离子（P型掺杂）或对阳离子（N型掺杂）。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（10^-9到10⁵S/cm）较宽的范围里变化。这是目前其他材料所无法比拟的.

　　目前导电聚合物除了最早的聚乙炔（PA）外，主要有聚吡咯(PPY)、聚噻吩(PTH)、聚对苯乙烯(PPV)、聚苯胺(PANI)以及他们的衍生物。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10⁵S/cm量级，接近Pt和Fe的室温电导率。



　　 一、导电聚合物的掺杂

　　导电聚合物的合成中很重要的一步是聚合物的掺杂。导电聚合物的掺杂不同于无机半导体的掺杂，两者 是完全不同的两个概念。（1）无机半导体的掺杂 是原子的替代，在导电聚合物中掺杂是一种氧化还原过程，其实质是经化学、电化学、物理、光学过程实现电子的迁移。（2）无机半导体的掺杂量极低（万分之 几）而导电聚合物的掺杂量一般在百分之几到百分之几十之间。（3）无机半导体的掺杂剂在半导体中参与导电，但导电聚合物掺杂剂残基在聚合物分子链中只起到 对离子的作用，不参与导电。（4）无机半导体没有脱掺杂过程，但是导电聚合物的掺杂过程是完全可逆的。

　　聚合物的掺杂过程是导电聚合物 导电能力的直接影响因素之一，掺杂程度的不同，同一种聚合物可呈现半导体性或导体性。此外掺杂方法和条件的不同也 直接影响到导电聚合物的物理化学性能。目前掺杂的方式主要有两种：氧化还原掺杂和质子酸掺杂。氧化还原掺杂可通过化学或电化学手段来实现。目前的研究发 现，与传统的化学反应不同，化学掺杂会受到磁场的影响。例如，随着外磁场的增强，掺杂聚苯胺的微观颗粒形貌的有序度会增加，磁学性能也会随之变化。但遗憾 的是目前为止还没有发现外加磁场对聚合物的室温电导率有明显的影响。质子酸的掺杂一般通过化学反应来完成，近年发现也可通过光诱导释放质子的方法来完成。 利用偏氯丙树脂在紫外光（λ=254nm）的照射下可释放HCl的特点，可将它作为光生质子酸载体，实现聚苯胺的光诱导掺杂。此外还有掺杂—脱掺杂—再掺 杂的反复处理方法，这种掺杂方法可以得到比一般方法更高的电导率和聚合物稳定性。

二、导电机理

　　导电聚合物的导电机理和金属以及无机半导体不同，金属中的载流子是自由电子，半导体的载流子是电子和孔穴，而导电聚合物的载流子是由孤立子、极化子、双极化子等自由基离子构成的。这类极化子和孤立子的存在和跃迁使高分子链具有了导电性。

　　三、最新研究进展和发展趋势

　　导电聚合物除了具有导电性、电容性和电化学活性以外，还具有一系列光学性能，如：电致变色 性、电致发光性、以及非线性光学性等。因此它们在许多 电子技术方面具有很好的潜在应用。但是由于导电高分子具有大的共轭离域结构，分子链之间作用力很强，从而常表现为力学强度差，不易加工成型，电性能环境稳 定性差等。目前导电聚合物研究的主要目标是研制电学、力学性能优异，结构稳定、易加工成型的导电高分子材料。

　　四、高导电性导电聚合物

　　根据导电聚合物的导电机理，极化子在分子链内的跃迁要比分子链间的跃迁要容易得多。因此分子链越 长一般来说电导率也就越高。分子结构对极化子的 稳定作用也影响了导电聚合物的导电性能，比如拉电子基团的存在对极化子有稳定作用。所以杂环芳香族高分子的电导率往往高于非杂环芳香族的高分子。聚合物链 的取向程度的提高也会大大的提高其取向方向的电导率。1987年，Basescu等合成了高取向度的聚乙炔，用碘掺杂后其电导率高达2*10⁵S/cm，是目前所知道的电导率最高的导电聚合物之一。

　 　导电聚合物领域的重要研究方向之一就是向真正的“合成金属”迈进。但是目前为止发现的导电高分子仍属于半导体的范畴，而未能达到真正的金属态。 根据能带理论的观点，一种材料的能带能隙如果接近或等于0，则它应有金属的特性。因此目前理论界的一个普遍认同的观点是：具有低能带能隙的导电高分子是实 现“合成金属”的重要途径。在1984年Wudl等合成了聚苯并噻吩，其能带能隙只有1eV。但目前还没有发现这类高分子具有比常规导电聚合物更高的电导 率。

　　五、高强度导电高分子

　　导电高分子的力学强度是评价其材料性能优劣的一个重要参数。通常化学合成的高分子常表现为没有任何力学强度的粉末，但是也有例外。比如通过Shirakawa途径可以得到高性能的聚乙炔薄膜。这一过程使用的是Ziggler—Natta催化剂AlEt₃/Ti(OBu)₄，Ti的浓度为3mmol/L，Al/Ti约为3～4。催化剂溶于甲苯中，冷却到－78℃，通入乙炔，可在溶液表面生成顺式的聚乙炔薄膜。

　 　得到高性能导电高分子膜材料最有效和直接的方法是电化学沉积法。低的聚合温度、强极性分子介质以及电化学惰性的电极材料有利于生成堆积紧密，性 能良好的芳香导电高分子材料。清华大学的石高全等用纯的二氟化硼乙醇溶液做电解质，不锈钢片做电极，在一定的电压下获得了力学强度超过铝的聚噻吩膜和高强 度聚苯膜，在这一体系中还能获得厚度为400到500um的高强度导电聚合物板，它的抗张强度大大超过了一般的通用塑料。

　　六、可溶性导电高分子

　　可溶性导电高分子研究的重要性在于它可以更好地用于研究分子结构与导电性能之间的关系，还可以很好 地解决导电聚合物的加工成型问题。可溶性导电 高分子可以由相应的溶液直接加工成膜或者纺成纤维。研制可溶性高分子的一个重要技术是在导电高分子链中加入柔软的长链，这一技术可以应用于几乎所有的高分 子单体。

七、分子导电

　　高分子的导电是在一个分子链上实现的，适当地控制分子链的结构，或者改变它的局部环境，一个分子的各个区域可能具有不同的导电行为，这就有可能制成“分子导线”、“分子电路”和“分子器件”。这一设想如果实现必将引起电子技术的一次新的革命。

　　除了上述的四个领域外，导电聚合物的研究和发展还主要集中在：自掺杂或不掺杂导电聚合物、复合型聚合物、光电磁多功能聚合物等。

　　八、应用

　　由于导电聚合物特殊的结构以及优异的物理化学性能，使得其在能源（二次电池、太阳能电池、固体电池），光电器 件，晶体管，镇流器，发光二极管 （LED），传感器（气体和生物），电磁屏蔽，隐身技术以及生命科学等方面都有诱人的应用前景。其中有望最早进入实用的有发光二极管以及导电高分子电极材 料。其中仅是发光二极管一项，预计投入生产后每年能有40亿美元的市场。导电高分子电极材料目前已经研制成功的有：以聚乙炔、聚苯胺膜为正极，锂为负极， 高氯酸锂的碳酸丙烯脂（PC）溶液为电解质的电池。目前正在研究固体电解质的全塑性电池，如全塑聚乙炔电池

　　（CH）_x|PEO-NaI|（CH）_x，它以p型掺杂的聚乙炔为阳极，以n型掺杂的聚乙炔为阴极构成，电池可以做成薄如纸的大面积。可以预计，待解决一些技术问题后，这种电池将会有十分广阔的应用前景。

　　五、展望

　 　经过25年的发展，导电高分子的研究已经取得了令人瞩目的成就。由于其优越的性能以及其在分子电子学方面的巨大意义，导电高分子已经成为目前化 学发展的一个重要方向。但是应该看到，目前所能得到的导电高分子材料的性能还远不能满足实际的应用，而且，往往是在某一种性能得到提高的同时，伴随着另一 种性能的下降。因此，获得电导率更高和在空气中稳定性更好，更便于加工的导电高分子材料，仍将是今后导电高分子研究的重要任务。另外在导电高分子研究的理 论方面，无论是掺杂机制，还是导电机制都还需要深入进行研究，这方面尤其需要一些创新的理论。导电高分子作为一个研究领域，在今后的化学科学中必将占有越 来越重要的位置。

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