有機導電聚合物即導電高分子,是指電導率介于導體和半導體之間的聚合物,既具有傳統聚合物的機械性能和可加工性,又擁有類似金屬的導電性,因此,通 常 被稱 為 合 成金屬。一直以來,人們認為傳統的有機聚合物通常都是絕緣的。直到1977年,美國科學家Heeger A J,MacDianllid A G和日本科學家Hideki Shirakawa等發現碘的摻雜會使聚乙炔的導電率提高13個數量級。這一發現不僅打破了傳統有機聚合物都是絕緣體的觀念,還開創了導電聚合物的研究領域,誘發了世界范圍內導電聚合物的研究熱潮。他們也因此獲得了瑞典皇家科學院2000年的諾貝爾化學獎。目前,具有代表性的有機導電聚合物就有聚乙炔、聚噻吩、聚吡咯、聚對苯、聚苯胺和聚對苯撐乙烯等。

1 有機導電聚合物材料的設計

對于物質導電與否,根據常溫電導率的高低物質可分為超導體、導體、半導體和絕緣體。常溫下,價帶與導帶之間的能帶間隙為零的為導體,半導體的小于3eV,絕緣體的大于3eV。導體由于其零帶隙,電子可以輕易的由價帶躍遷到導帶。絕緣體由于帶隙太寬,電子不能從價帶躍遷到導帶,所以不能導電。而有機導電聚合物具有單雙鍵相互交替的共軛結構,能使π電子的軌道發生離域,降低能隙。因此,大多數本征念導電聚合物的能隙接近半導體的能隙,從而使得其具有半導體性質。

由于帶隙能決定物質的導電性,因此在設計導電聚合物的一個非常重要的目標就是尋找具有低帶隙的聚合物。而具有π電子共軛體系的雜環聚合物通常帶隙較低,這類化合物常作為導電材料的候選材料。另外,聚合物的單體和低聚體的電子結構性質與聚合物的導電性密切相關。一般來說,若隨聚合度的增加,分子的共軛程度增強,即π電子的離域能力增強的化合物,更有可能成為良好的有機導電材料。所以,進行有機導體分子設計的另一個目標就是找出聚合物分子單體和低聚物的電子結構性質。根據這個目標,尋找低帶隙聚合物的關鍵在于找出本身具有低能隙特征的母體分子,然后可以通過構象、取代基的化學修飾以及化學摻雜等方法來降低帶隙。如何降低聚合物的帶隙,合成具有低帶隙的聚合物,在科學界一直備受關注。降低帶隙通常采用以下幾種方法:\\(1\\)增加主鏈中醌式構型的比例:據Bredas J L等研究發現,要獲得低能帶隙聚合物,就必須提高醌式結構的比例;\\(2\\)取代基修飾:這種方法不僅能降低聚合物分子的帶隙值,而且還可以增加聚合物分子的溶解性;\\(3\\)形成梯形聚合物:這種聚合物具有類似于石墨的一維結構,能通過降低或者消除聚合物中導致單雙鍵定域性的結構變形,從而減少主鏈上單雙鍵的交替程度,獲得低帶隙聚合物;\\(4\\)供體受體單元重復交替:

這是一種最有效降低帶隙的方法,在供體與受體之間會產生一種推拉作用,使得電子有效地在分子內發生轉移,從而導致π電子更有效的離域性,降低聚合物的帶隙。

2 有機導電聚合物材料的應用

2.1 太陽能電池供體材料
當今能源問題是制約著國際社會的主要問題,太陽能是一種取之不盡,用之不竭的潔凈無污染能源。將太陽能直接轉換為電能和熱能是科學家的追求目標。傳統的硅系列太陽能電池材料制作工藝復雜、純度要求高、成本高、難以大規模生產。有機太陽能電池與之相比,具有廉價、輕便、可折疊和易加工等優點,使得有機太陽能電池倍受關注。有機太陽能電池中,受體材料主要是富勒烯的衍生物如PC60BM和PC70BM。供體材料主要為有機導電聚合物,這些聚合物具有半導體的光學和電子性質。決定太陽能電池性能的一個主要因素為其光電轉換效率,研究發現,當有機太陽能電池的能量轉換效率\\(PCE\\)接近10%就能應用于商業生產。但目前為止,其PCE只能達到7%左右。因此,如何提高有機太陽能電池的PCE是太陽能電池材料研究的一項主要任務。

2.2 有機發光二極管\\(OLED\\)材料
發光二極管是一種能發光的半導體電子元件。目前,發光二極管所用的材料很多都為無機半導體材料,這種材料較難應用于大面積并需要有高分辨率的組件,而新型有機半導體材料能克服以上缺點。除此以外,有機發光二極管還具有低成本、低能耗優勢以及柔性彎曲的特點,使這種發光二極管在下一代顯示、液晶的背光源和固態照明3個核心領域呈現出巨大的市場。且同LED的無機藍色相比,OLED可實現全彩色,且驅動電路簡單,能與太陽能電池相匹配,可以廣泛用在航空、航天等多種儀器儀表的顯示。目前OLED的研究熱點主要集中在以下幾方面:提高器件的發光效率、增加器件的壽命和穩定性以及增加器件光亮度。

2.3 電磁屏蔽材料
由電器設備產生的干擾問題即電磁輻射成為人們普遍關注的熱點問題。電磁輻射波不僅能使周圍的電子設備出現障礙,還能造成計算機信息泄露,從而產生嚴重的社會問題。近年來,隨著各種電器的普及,帶來的電磁污染越來越嚴重,電磁屏蔽材料應運而生。其作用是用來防止高頻電磁場的影響,采用低電阻值的導體材料,利用電磁波在屏蔽導體表面的反射、在導體內部的吸收及傳輸過程的損耗從而產生屏蔽作用。有機導電聚合物材料作為電子產品的外殼可以有效的起到電磁屏蔽作用。此外,該類材料具有價格低、質量輕、耐腐蝕、韌性好、易加工、電導率易調節等優勢,用做電磁屏蔽材料還可以彌補金屬型電磁屏蔽材料的成型缺陷。目前,使用最多的有機導電聚合物是聚苯胺,這種材料通過摻雜制成的薄膜電導率高、并且密度非常小,因此將更有應用前景。

2.4 氣體傳感器材料
傳感器技術、通訊技術和計算機技術是現代信息技術的三大基礎,而傳感器是信息采集系統的首要部件。氣體傳感器又稱氣敏化學傳感器,指用來檢測如氧氣、二氧化碳、一氧化碳和甲烷等氣態物質的化學傳感器。我們通常說的傳感器只是傳感器的敏感部分,即敏感探頭,不包括相應的電子線路部分。傳感器種類繁多,其分類標準各異。按傳感器敏感膜的類型,可分為無機傳感器和有機傳感器兩類。有機傳感器與無機傳感器相比,具有以下優點:來源廣泛、易獲取、價格便宜、易大面積制膜、具有較強的選擇性、可根據傳感器的氣敏特性有目的地設計化合物,使得有機導電聚合物作為氣體傳感器越來越受重視。另外,在傳感器方面,還可將其制作成生物傳感器、離子傳感器、濕敏傳感器等。

2.5 其他應用
這類材料特殊的電、磁性質決定了其用途將非常的廣泛,除了前面幾種應用以外,還可以用于光伏器件、場效應晶體管、整流器、分子導線和分子器件、隱身技術等方面。研究發現,DNA有微弱導電性。如果將導電聚合物與生命科學相結合,可以用來制造人造肌肉和人造神經,這將成為導電聚合物應用上的重大突破之一?？偟膩碚f,導電聚合物在很多方面的研究已經取得了很大程度的進展,且有些已經在生產中得到了應用。

3 展望

雖然對導電聚合物的研究已經取得非常大的進展,但性能較高的聚合物在制備上仍將是研究的難點,因此,有機導電高分子材料要實現的商業化還需要做出努力。未來有機導電聚合物研究的發展趨勢為:\\(1\\)進一步深入研究各種影響聚合物穩定性、可溶性、機械性能和光電性能等因素;\\(2\\)理論與實驗相結合。目前,越來越多的科研工作者投入到理論研究中,使計算模擬變得愈加重要。未來的計算機技術將會更加成熟,從而將很大程度上推動有機光電材料的發展?？傊?有機導電聚合物不僅具備了無機半導體和金屬的光學和電學特性,還具有有機高分子的可加工性和柔韌的機械性。它將有機材料與無機材料完美的結合,使得有機光電材料成為了一種新興的、無機半導體材料所不可媲美的功能材料。