高分子導(dǎo)體與半導(dǎo)體ppt課件.ppt

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1、導(dǎo)電高分子-高分子導(dǎo)體與半導(dǎo)體1.概述1.1導(dǎo)電高分子的基本概念物質(zhì)按電學(xué)性能分類可分為絕緣體、半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體四類。高分子材料通常屬于絕緣體的范疇。但1977年美國科學(xué)家黑格（A.J.Heeger）、麥克迪爾米德（A.G.MacDiarmid）和日本科學(xué)家白川英樹（H.Shirakawa）發(fā)現(xiàn)摻雜聚乙炔具有金屬導(dǎo)電特性以來，有機(jī)高分子不能作為導(dǎo)電材料的概念被徹底改變。1導(dǎo)電性聚乙炔的出現(xiàn)不僅打破了高分子僅為絕緣體的傳統(tǒng)觀念，而且為低維固體電子學(xué)和分子電子學(xué)的建立打下基礎(chǔ)，而具有重要的科學(xué)意義。上述三位科學(xué)家因此分

2、享2000年諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)。黑格小傳麥克迪爾米德小傳白川英樹小傳導(dǎo)電高分子2導(dǎo)電高分子所謂導(dǎo)電高分子是由具有共軛π鍵的高分子經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)“摻雜”使其由絕緣體轉(zhuǎn)變?yōu)閷?dǎo)體的一類高分子材料。它完全不同于由金屬或碳粉末與高分子共混而制成的導(dǎo)電塑料。通常導(dǎo)電高分子的結(jié)構(gòu)特征是由有高分子鏈結(jié)構(gòu)和與鏈非鍵合的一價(jià)陰離子或陽離子共同組成。即在導(dǎo)電高分子結(jié)構(gòu)中，除了具有高分子鏈外，還含有由“摻雜”而引入的一價(jià)對(duì)陰離子（p型摻雜）或?qū)﹃栯x子（n型摻雜）。3導(dǎo)電高分子導(dǎo)電高分子不僅具有由于摻雜而帶來的金屬特性（高電導(dǎo)率）和半導(dǎo)體（p和n型）

3、特性之外，還具有高分子結(jié)構(gòu)的可分子設(shè)計(jì)性，可加工性和密度小等特點(diǎn)。為此，從廣義的角度來看，導(dǎo)電高分子可歸為功能高分子的范疇。導(dǎo)電高分子具有特殊的結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的物理化學(xué)性能使它在能源、光電子器件、信息、傳感器、分子導(dǎo)線和分子器件、電磁屏蔽、金屬防腐和隱身技術(shù)方面有著廣泛、誘人的應(yīng)用前景。4導(dǎo)電高分子導(dǎo)電高分子自發(fā)現(xiàn)之日起就成為材料科學(xué)的研究熱點(diǎn)。經(jīng)過近三十年的研究，導(dǎo)電高分子無論在分子設(shè)計(jì)和材料合成、摻雜方法和摻雜機(jī)理、導(dǎo)電機(jī)理、加工性能、物理性能以及應(yīng)用技術(shù)探索都已取得重要的研究進(jìn)展，并且正在向?qū)嵱没姆较蜻~進(jìn)。本章主要

4、介紹導(dǎo)電高分子的結(jié)構(gòu)特征和基本的物理、化學(xué)特性，并評(píng)述導(dǎo)電高分子的重要的研究進(jìn)展。5導(dǎo)電高分子1.2材料導(dǎo)電性的表征根據(jù)歐姆定律，當(dāng)對(duì)試樣兩端加上直流電壓V時(shí)，若流經(jīng)試樣的電流為I，則試樣的電阻R為：電阻的倒數(shù)稱為電導(dǎo)，用G表示：（5—1）（5—2）6導(dǎo)電高分子電阻和電導(dǎo)的大小不僅與物質(zhì)的電性能有關(guān)，還與試樣的面積S、厚度d有關(guān)。實(shí)驗(yàn)表明，試樣的電阻與試樣的截面積成反比，與厚度成正比：同樣，對(duì)電導(dǎo)則有：（5—3）（5—4）7導(dǎo)電高分子上兩式中，ρ稱為電阻率，單位為（Ω·cm），σ稱為電導(dǎo)率，單位為（Ω-1·cm-1）。

5、顯然，電阻率和電導(dǎo)率都不再與材料的尺寸有關(guān)，而只決定于它們的性質(zhì)，因此是物質(zhì)的本征參數(shù)，都可用來作為表征材料導(dǎo)電性的尺度。在討論材料的導(dǎo)電性時(shí)，更習(xí)慣采用電導(dǎo)率來表示。8導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電性是由于物質(zhì)內(nèi)部存在的帶電粒子的移動(dòng)引起的。這些帶電粒子可以是正、負(fù)離子，也可以是電子或空穴，統(tǒng)稱為載流子。載流子在外加電場(chǎng)作用下沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)，就形成電流?？梢?，材料導(dǎo)電性的好壞，與物質(zhì)所含的載流子數(shù)目及其運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)。9導(dǎo)電高分子假定在一截面積為S、長(zhǎng)為l的長(zhǎng)方體中，載流子的濃度（單位體積中載流子數(shù)目）為N，每個(gè)載流子所帶的電荷

6、量為q。載流子在外加電場(chǎng)E作用下，沿電場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)速度（遷移速度）為ν，則單位時(shí)間流過長(zhǎng)方體的電流I為：（5—5）10導(dǎo)電高分子而載流子的遷移速度ν通常與外加電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比：式中，比例常數(shù)μ為載流子的遷移率，是單位場(chǎng)強(qiáng)下載流子的遷移速度，單位為（cm2·V-1·s-1）。結(jié)合式（5—2），（5—4），（5—5）和（5—6），可知（5—6）（5—7）11導(dǎo)電高分子當(dāng)材料中存在n種載流子時(shí)，電導(dǎo)率可表示為：由此可見，載流子濃度和遷移率是表征材料導(dǎo)電性的微觀物理量。（5—8）12導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電率是一個(gè)跨度很大的指標(biāo)。從

7、最好的絕緣體到導(dǎo)電性非常好的超導(dǎo)體，導(dǎo)電率可相差40個(gè)數(shù)量級(jí)以上。根據(jù)材料的導(dǎo)電率大小，通?？煞譃榻^緣體，半導(dǎo)體、導(dǎo)體和超導(dǎo)體四大類。這是一種很粗略的劃分，并無十分確定的界線。在本章的討論中，將不區(qū)分高分子半導(dǎo)體和高分子導(dǎo)體，統(tǒng)一稱作導(dǎo)電高分子。表5—1列出了這四大類材料的電導(dǎo)率及其典型代表。13導(dǎo)電高分子表5—1材料導(dǎo)電率范圍材料電導(dǎo)率/Ω-1·cm-1典型代表絕緣體＜10-10石英、聚乙烯、聚苯乙烯、聚四氟乙烯半導(dǎo)體10-10～102硅、鍺、聚乙炔導(dǎo)體102～108汞、銀、銅、石墨超導(dǎo)體＞108鈮(9.2K)、鈮鋁

8、鍺合金(23.3K)、聚氮硫(0.26K)14導(dǎo)電高分子1.3導(dǎo)電高分子的類型按照材料的結(jié)構(gòu)與組成，可將導(dǎo)電高分子分成兩大類。一類是結(jié)構(gòu)型（本征型）導(dǎo)電高分子，另一類是復(fù)合型導(dǎo)電高分子。1.3.1結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子本身具有“固有”的導(dǎo)電性，由聚合物結(jié)構(gòu)提供導(dǎo)電載流子（包括電子、離子或空穴）。這類聚合物經(jīng)摻雜后，電導(dǎo)率