导电聚合物-聚乙炔





聚合物(polymer)又名高分子,是分子结构庞大,分子量非常大的化合物。一般常看到的有机高分子例如塑胶、橡胶均为绝缘体,其原因在于由碳氢化合物所组成的共价单键长链分子并不具备可自由移动的电子。导电聚合物又称导电塑胶或导电塑料,当聚合物的分子链上具有单键及双键交替的共轭(conjugation)结构时,非定域化(delocalized)  导电聚合物-聚乙炔 电子可沿着分子链移动而导电,导电高分子都属于这种共轭高分子,聚乙炔即是一例。

聚乙炔由长链的碳分子以 sp2 键链结而成(见图一),由于sp2键结的特性,其键结除了 导电聚合物-聚乙炔 单键键结之外,还有 pp 轨域重叠的 导电聚合物-聚乙炔 键结形成双键,当单键-双键交替键结时,p轨域上的电子可沿分子主链非定域化,形成混成分子轨域的共轭键结。随着聚合度的增加,渐次堆叠成能带,而能带间隙(energy bandgap)之Eg值随共轭程度增加而逐渐降低,最终Eg值约为 1.4 eV,其他共轭高分子之Eg值则在 1.0~3.5 eV 之间,这正是半导体材料的主要特徵。金属之Eg值为 0 eV,而绝缘体之Eg值则远大于 3.5 eV。

因为σ电子是无法延主链移动的,而 导电聚合物-聚乙炔 电子虽较易移动,但也相当定域化(localized),因此必需再加以掺杂(doping),亦即移去主链上部分电子(氧化)或注入数个电子(还原),这些电洞或额外电子可以在分子链上移动(其能阶位于能带间隙中),使此高分子成为导电体。

导电聚合物-聚乙炔

图一、反式聚乙炔结构图

早在1958年纳塔 (Giulio Natta, 1903-1979) 利用含铝及钛之有机物为触媒,即所谓齐格-纳塔(Ziegler-Natta)触媒,将乙炔气体聚合而得聚乙炔。当时他已发觉此共轭高分子具有导电性,但纳塔并未继续深入研究。聚乙炔包括顺式(cis)及反式(trans)二种异构物。在1970年代初当时于东京工业大学担任助手的日本化学家白川英树博士(Hideki Shirakawa,1936-)发现利用此种触媒可控制聚乙炔膜中顺式与反式的比例。由于一次的疏忽,多加了一千倍的催化剂,使得原本应得到黑色粉末的顺式聚乙炔,却变成银色薄膜的反式聚乙炔。

当时他并不知道此膜可以成为导电体,在美国宾州大学任教的化学家艾伦、麦克德尔米德(Alan G. MacDiarmid,1927-2007)邀请白川在他的实验室建立合成装置,进行聚乙炔之合成,并将聚乙炔曝露于碘蒸气中进行氧化反应,掺杂 1% 的碘,经美国物理学家黑格(Alan J. Heeger,1936-)量测聚乙炔之导电度;令人惊异的是此经过处理的反式聚乙炔之导电度,激增了十亿(109)倍。

2000 年诺贝尔化学奖颁给这三位科学家,奖励他们在导电高分子之发现及发展上有革命性的贡献,并引导实用化之进展,开拓此学门之跨化学及物理领域的特性。他们的研究改变了人们对高分子(塑胶)为绝缘体的印象,它也可以具有半导体及导体特性,事实上,这类聚合物可用作抗静电材料。目前,它们已被製成摄影软片,抗电磁辐射的电脑萤幕防护罩,以及智慧型窗户(用以隔绝阳光)。此外,具半导体性质的高分子聚合物近来也已被製成太阳能电池,行动电话的显示面板,甚至是迷你电视萤幕。颂词并称,这项发现亦将带动分子电子学的快速发展。而这领域的发展足以大幅地加快电脑速度,并缩小其尺寸。


参考资料
1. WIKIPEDIA网站–Conductive polymer   http://en.wikipedia.org/wiki/Conductive_polymer
2. http://phy.ntnu.edu.tw/~changmc/Article/polymer.htm
3. 陈寿安,导电高分子:新世代光电材料,《物理双月刊》23期2卷,第312页,2001年4月。
4. 维基百科网站–导电聚合物   http://zh.wikipedia.org/zh-tw/导电聚合物(图一)。

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2011-1-6 16:45

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