金属纳米颗粒掺杂对PEDOTPSS薄膜性能的影响(3)

(1)离子型导电聚合物通常又叫做高分子固体电解质,在导电过程中的载流子主要是离子。离子导电结构型导电聚合物一般是由高分子主体物和金属盐复合而


(1)离子型导电聚合物通常又叫做高分子固体电解质,在导电过程中的载流子主要是离子。离子导电结构型导电聚合物一般是由高分子主体物和金属盐复合而成。

(2)电子型导电聚合物是以共轭高分子为主体的导电聚合物材料,其导电时的载流子主要是电子或空穴,目前在有关导电聚合物的研究开发中,此类聚合物至关重要。

导电聚合物表现出了很多优异特性,其光电性能完全可以和金属或者无机半导体相媲美, 另外,导电聚合物还具有完全可逆的氧化还原特性。导电聚合物合成方便,加工简单,性能优异,应用前景广阔,对未来的科学研究和社会应用来说意义重大。

 1.1.3导电聚合物的导电原理

结构型导电聚合物与复合型导电聚合物的导电原理是不同的。

首先分析结构型聚合物的导电原理。根据导电原理的不同,结构性导电聚合物又可分以下三类:

1、电子导电聚合物的导电原理[7]

首先明确载流子的概念,载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒,如电子和离子,金属中为电子,半导体中有两种载流子即电子和空穴。跟半导体类似,聚合物中的载流子是自由电子或空穴。在电子导电聚合物的导电过程中,载流子做定向移动形成电流。聚合物通常是以分子形态存在的有机材料,它的电子除了具有有限离域能力的电子外多为定域电子。给电子提供离域迁移能力的是大型线性共轭π电子体系,此电子体系存在于电子导电聚合物的分子内部。尽管π电子具有离域能力,但它并不属于自由电子范畴。携带共轭结构的机化合物的π电子体系会变大,电子的离域性较强,可移动范围变大。当共轭结构达到一定值时,化合物自身便可提供自由电子,获得导电性能。在没有掺杂过的聚合物分子中,不同π健分子轨道的能级是不一样的。电子在聚合物内部作迁移不仅仅需要电场作用,还得跨越π健分子轨道之间的能级差。聚合物经掺杂处理后,能带间的能量差就会大大降低,载流子迁移时遇到的阻力也变得非常小,其导电能力便得到大幅度提高。目前,掺杂方法分为化学和物理掺杂两种。

2、离子型导电聚合物的导电原理[8]

离子型导电聚合物中的载流子是正负离子。其导电机理比较复杂,目前世界范围内认可度比较高的理论包括非晶区传导导电理论和自由体积导电理论。

非晶区传导导电理论认为对于大多数聚合物来说,完整的晶体结构是不存在的,基本属于非晶态或半晶态。非晶态的聚合物存在玻璃化转变温度,在此温度以上时,聚合物中的小分子离子受到电场作用可以作一定程度的定向移动,形成电流。

自由体积理论则认为在玻璃化转变温度以上时,聚合物中的离子虽然可以移动,但仍做不到自由扩散运动。聚合物分子一直在作振动,振幅随温度改变。当温度不断变高时,振幅不断变大,自由体积也随之变大。当自由体积超过离子自身体积时,聚合物中的离子就有可能发生移动。在电场作用下,这些离子将作定向运动形成电流。

3、氧化还原型导电聚合物的导电原理

该聚合物的侧链上一般具有可以发生可逆氧化还原反应的基团,少数聚合物骨架本身也可以发生可逆氧化还原反应。当电极电位满足聚合物中活性基团的反应条件时,靠近电极的活性基团首先发生反应,从电极得到(或自身失去)一个电子,生成还原态(或氧化态)基团,新生基团发生同样的反应将得到的电子再传给邻近的基团。如此重复,直到电子到达另一侧电极。

复合型导电聚合物的导电原理[9]比较复杂,目前比较受欢迎的原理理论包括导电通道、隧道效应和场致发射效应三种,复合型导电聚合物的导电性能是这三种原理的竞争结果,在不同情况下出现以其中一种原理为主导的导电现象。当填充物比较少、外用电压比较低时,填料粒子之间存在较大的间隔,导电通道几乎不存在,所以隧道效应决定着导电性能;在填料用量少、外用电压却比较高时,电子很容易逃逸,场致发射理论开始占据主导地位;当聚合物的填料越来越多时,填料粒子的间距会慢慢变小,导电通道的形成几率则越来越大,导电通道理论的作用愈加明显。