目的 介紹共軛導(dǎo)電聚合物的特性及應(yīng)用。方法 根據(jù)共軛導(dǎo)電聚合物的特性，介紹了與其特性相關(guān)的應(yīng)用。結(jié)果 共軛導(dǎo)電聚合物在制作二次電池、 新型電子器件等方面具有*的特性和優(yōu)點。結(jié)論：共軛導(dǎo)電聚合物是一種極有應(yīng)用前景的功能高分子材料。 
關(guān)鍵詞：導(dǎo)電聚合物；共軛高聚物；摻雜 
引 言 
導(dǎo)電高分子材料也稱導(dǎo)電聚合物，具有導(dǎo)體的性質(zhì)。按其結(jié)構(gòu)特征和導(dǎo)電機理可分為以下 3 類：載流子為自由電子的電子導(dǎo)電聚合物，載流子為能在聚合物分子間遷移的正負離子的離子導(dǎo)電聚合物，以氧化-還原反應(yīng)為電子轉(zhuǎn)移機理的氧化-還原型聚合物。 
電子導(dǎo)電型聚合物的共同特征是分子內(nèi)有大的 π-電子共軛體系，給載流子自由電子提供離域遷移的條件，故又稱為共軛聚合物。這一 π-電子共軛體系的成鍵和反鍵能帶之間的間隙較小，為 (1.5～3) eV，接近無機半導(dǎo)體中導(dǎo)帶-價帶能隙。因此，該類聚合物大多具有半導(dǎo)體的特性，電導(dǎo)率在 (10-12～10-4) S/cm。根據(jù) Peierls 過渡理論(Peierls Transition)[1]，電子若要在共軛 π 體系中自由移動，首先要克服滿帶與空帶之間的能級差，減少能帶分裂造成的能級差是提高共軛型導(dǎo)電高聚物電導(dǎo)率的主要途徑。由于共軛高聚物易于被氧化或還原，可利用“摻雜”的方法來改變能帶中電子的占有狀況，此過程即為壓制 Peierls 過程，可減小能級差，提高其電導(dǎo)率。其中，P-型摻雜對應(yīng)于氧化過程，其摻雜劑在摻雜反應(yīng)中為電子的接受體；N-型摻雜對應(yīng)于還原過程，其摻雜劑為電子給予體。通過摻雜可使共軛高聚物的電導(dǎo)率提高若干數(shù)量級，接近金屬電導(dǎo)率。如日本旭化成(Asihi)[2] 等 5 家公司研究的導(dǎo)電聚乙炔的電導(dǎo)率達到 5.8×105 S/cm，這一數(shù)值幾乎與金屬銅的導(dǎo)電性相同。 
由于共軛導(dǎo)電聚合物同時具有聚合物、 無機半導(dǎo)體和金屬導(dǎo)體的特性，因而具有巨大的潛在的商業(yè)應(yīng)用價值。作者就共軛導(dǎo)電聚合物的特性及其應(yīng)用作一扼要介紹。 
1 共軛導(dǎo)電聚合物的特性 
1.1 導(dǎo)電性 
共軛導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率強烈依賴于主鏈結(jié)構(gòu)、 摻雜程度、 摻雜的性質(zhì)、 外加電場、 合成的方法、 合成的條件和溫度等因素。對聚乙炔摻雜[1]的結(jié)果表明，在摻雜量為 1% 時，電導(dǎo)率上升 5～7 個數(shù)量級；當(dāng)摻雜量增至 3% 時，電導(dǎo)率已趨于飽和。共軛導(dǎo)電聚合物具有正的溫度系數(shù)，電導(dǎo)率隨溫度的增加而增加[3]。共軛導(dǎo)電聚合物與無機半導(dǎo)體一樣，其電導(dǎo)率依賴于外加電場，可觀察到非歐姆電導(dǎo)現(xiàn)象。K Wortenson 已觀察到聚乙炔的非歐姆電導(dǎo)，萬梅香也觀察到聚噻吩的非歐姆電導(dǎo)[13]。共軛導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率受合成方法的影響極大。如 Shirakawa 法合成的聚乙炔經(jīng)碘摻雜后高的室溫電導(dǎo)率為 103 S/cm，而德國 BASF 公司 H Naarmann[13] 制備的聚乙炔經(jīng)碘摻雜并取向后電導(dǎo)率為 1.5×105 S/cm。此外，共軛導(dǎo)電聚合物的電導(dǎo)率隨共軛鏈長度的增加而呈指數(shù)快速增加，提高共軛鏈的長度是提高其導(dǎo)電性的重要手段之一[3]。 
1.2 光電導(dǎo)性質(zhì) 
光電導(dǎo)是指物質(zhì)受光激發(fā)后產(chǎn)生電子和空穴載流子，它們在外電場的作用下移動，在外電路中有電流通過的現(xiàn)象。當(dāng)物質(zhì)中含有共軛性很好的骨架時，它的光電導(dǎo)性就大[1]。聚合物光導(dǎo)體的個報告是 H Hogel 在 1958 年提出的用聚乙烯咔唑 (PVK) 制造的靜電照相版。大多數(shù)共軛導(dǎo)電聚合物具有光電導(dǎo)性質(zhì)。據(jù)報道，在光激發(fā)下，聚-2,4-己二烯-1,6-雙 (對苯二甲酸酯) 的載流子遷移率值達到了 μ=2.8 cm2.V-1.s-1 (電子、 空穴之和)，聚-1,6-雙 (N-咔唑基) -2,4-己二烯的載流子遷移率值高達 2 800 cm2.V-1.s-1[1]。Volkov[14] 指出：聚苯胺是一種 P 型半導(dǎo)體，在 8 000 nm 的聚苯胺薄膜下可記錄到 (0.15～0.25) μA.cm-2 的光電流。此外，J H Burroughes[13]對聚乙炔的光電導(dǎo)也進行了研究，并采用反式聚乙炔制成了電光調(diào)制器。目前，對于共軛導(dǎo)電聚合物這一特性的主要興趣在于研制電子照相用感光材料和太陽能電池[1]。 
1.3 體積的電位響應(yīng) 
在共軛導(dǎo)電聚合物中摻雜的離子在聚合物的分子鏈之間往往形成柱狀陣列，隨著摻雜濃度的提高，后繼嵌入的摻雜離子可能進入此前形成的陣列中，也可能形成新的陣列，并導(dǎo)致大分子鏈相互分離。圖 1 為碘摻雜聚乙炔的插入模式圖[1]。
 
圖 1 碘摻雜聚乙炔模式圖 
在電場作用下，對聚合物的摻雜過程實際上是一個氧化-還原過程。共軛導(dǎo)電聚合物處于不同的氧化態(tài)時，其體積有顯著的不同，即對于外加電壓會產(chǎn)生體積響應(yīng)。根據(jù)這一特性，可用來仿制人工肌肉。 
1.4 電致發(fā)光 
共軛導(dǎo)電聚合物中均存在由碳原子等的 pz 軌道相互重疊形成的大 π 鍵。量子力學(xué)計算表明，當(dāng)反式聚乙炔的大 π 鍵達到 8 個以上碳原子鏈長時即具有電子導(dǎo)電性。這種長鏈共軛體系不穩(wěn)定，會發(fā)生 Peierls 相變導(dǎo)致能帶分裂，形成由成鍵 π 軌道構(gòu)成的價帶，反鍵 π 軌道構(gòu)成的導(dǎo)帶以及成鍵與反鍵軌道間的能隙構(gòu)成的禁帶[5]。因此，共軛導(dǎo)電聚合物的能帶結(jié)構(gòu)與無機半導(dǎo)體相似。當(dāng)以能量大于導(dǎo)帶與價帶之間的能量差(即禁帶寬度)的入射光照射半導(dǎo)體時，其價帶中的電子可以吸收光能而被激發(fā)進入導(dǎo)帶，從而在導(dǎo)帶中形成自由電子，在價帶中產(chǎn)生空穴[4]。處于導(dǎo)帶中的激發(fā)態(tài)電子不穩(wěn)定，會自發(fā)向基態(tài)弛豫，與價帶中的空穴復(fù)合，將所吸收的光能重新釋放出來，從而產(chǎn)生光致發(fā)光。 
由于電致發(fā)光是電子和空穴結(jié)合而發(fā)光的過程，如果在直流正向電壓的作用下，分別從正極注入空穴和從負極注入電子致發(fā)光層中(半導(dǎo)體的價帶和導(dǎo)帶中)，則由于庫侖引力而形成激子，激子可以經(jīng)復(fù)合發(fā)光[6]，即為電致發(fā)光。1990 年，英國劍橋大學(xué) Cavendish 實驗室的 J H Burroughes 等人[7] 報道了用 PPV(Poly(P-phenylene Vinylene)，聚對苯乙炔)制備的聚合物薄膜電致發(fā)光器件，得到了直流偏壓驅(qū)動小于 14 V 的藍綠光輸出，其量子效率為 0.05%。目前，該領(lǐng)域的發(fā)展十分迅速，已報道的高聚物發(fā)光材料的發(fā)光范圍已覆蓋了整個可見光區(qū)，其制備的發(fā)光器件的各項性能已接近商業(yè)化水平[8]。 
2 共軛導(dǎo)電聚合物的應(yīng)用 
2.1 導(dǎo)電材料 
共軛導(dǎo)電聚合物具有金屬導(dǎo)電性，并且有聚合物的優(yōu)點，應(yīng)該能作為金屬替代材料應(yīng)用于電力輸送、 電子線路等方面；但是由于大多數(shù)不能同時達到高電導(dǎo)率和穩(wěn)定性，并且其溶解性差，使得難以加工，限制了其應(yīng)用范圍。目前，共軛導(dǎo)電聚合物主要用于對導(dǎo)電性能要求不高的領(lǐng)域，作為抗靜電添加劑、 電磁波屏蔽材料等。如美國 Americhem[18] 公司等共同開發(fā)的 PAN/PVC 導(dǎo)電復(fù)合材料，其體積電阻率達 10-2 Ω.cm-2，可做電磁波屏蔽材料。 
2.2 太陽能電池 
共軛導(dǎo)電聚合物的光電導(dǎo)特性以及其具有價格便宜、 可大量生產(chǎn)、 器件制造簡單而可大面積化等優(yōu)點，可作為太陽能電池的材料而引起了世界各國的廣泛關(guān)注。在 80 年代初，以 PN 結(jié)為基礎(chǔ)的聚乙炔膜太陽能電池的研究開始活躍[1]，聚乙炔是的光電材料，其能隙為 1.5 eV；1980 年，A G MacDiarmid 報道了聚乙炔的 PEC 池(光化學(xué)池)[13]；在 80 年代末，聚乙炔膜太陽能電池進入商業(yè)性試用階段。日本制作的 P 型聚乙炔和 N 型硅組成的太陽能電池，開路電壓為 0.53 V，光電轉(zhuǎn)換效率為 4.3%[9]。采用共軛聚合物的電子受體和給體復(fù)合薄膜[10]，復(fù)合薄膜吸收光子產(chǎn)生電子-空穴對，通過電荷轉(zhuǎn)移，電子富集在受體上，空穴富集在給體上，從而有效地拆散電子-空穴對。用這種復(fù)合膜制作的太陽能電池，可以得到 0.6 V 的光電壓和 6% 的光電轉(zhuǎn)換量子效率[1