寻找聚合物中导电性的秘密

2015-8-3 11:12| 发布者: 安丰贞| 查看: 1433| 评论: 0

摘要: 看似能用于光电和热电设备的材料，但是由于很多的未知，目前对他们还束手无策比如说共轭聚合物这类材料可以说是可以应用于光电设备的研发中，包括电容，二极管，传感器，有机发光二极管和热电设备等。但是他们目前面临一个主要的问题是：没有人能解释电子是如何在这些材料中传递的，或者来预测这些材料在这些设备中会有怎么样的性能表现。如今MIT和布鲁克海文国家实验室的研究人员解释了电荷如何在这些化合 ...

MIT , 聚合物 , 导电性

       看似能用于光电和热电设备的材料，但是由于很多的未知，目前对他们还束手无策

       比如说共轭聚合物这类材料可以说是可以应用于光电设备的研发中，包括电容，二极管，传感器，有机发光二极管和热电设备等。但是他们目前面临一个主要的问题是：没有人能解释电子是如何在这些材料中传递的，或者来预测这些材料在这些设备中会有怎么样的性能表现。

       如今MIT和布鲁克海文国家实验室的研究人员解释了电荷如何在这些化合物中移动，潜在地为这些应用的进一步研究打开了一扇大门。目前该项研究成果发表在《先进材料》的期刊上。

       MIT的博士后同样也是该篇论文的第一作者，Asli Ugur说：“共轭聚合物是一种介于晶体和非晶体之间的一种材料——这也就是为什么比较难解释这些材料的工作原理。”晶体是一种非常有规律的原子和分子排布的物质，而非晶体则恰恰相反，其排布是随机性的。但是共轭聚合物是具有这两种物质的特性：有序排列中掺杂这完全的无序随机排列组合。

       Ugur 说：“我们尝试开发一些模型来解释这些材料的行为，但是至今没有直接的证据来证明我们的观点。”尽管目前有些模型与现实的结果相吻合，但是，他认为：“这是结晶尺寸大小的影响结果导致的。”在材料中晶体尺寸对结构排布的影响较大。

       那是因为在这些材料中，导电的最复杂的部分是当电子的载体(类如离子或者带电的原子)流经一种晶型的边缘时候可能会“越过”边缘到下一个晶体。

       在块状材料中，这些离子可能会往任意的方向运动。但是在这种聚合物中，由于材料很薄，晶格之间的距离较窄，窄得足以让离子可以越过这个“鸿沟”。如果电子的选择运动方向越少，导电性就可能越强，Ugur补充说道：“即使材料不变，如果将材料做得越薄，导电性就越强。”

       之前尝试去模拟这些材料的导电性主要关注点在材料的化学性质。化学工程教授Karen Gleason， Alexander 和 I. Michael Kasser 认为：“人们的关注点不在晶体上。”因此，理解了这些材料的导电性能，“在之后的几十年里也是可以研究很多内容的。”研究团队是在研究论文中如是写道。

       一位机械工程的助理教授Kripa Varanasi说：“我们想要研究出一种材料可以认为控制他们的导热性能和导电性能。我们受到无机和有机界面的启发，因为他们可以产生很多块状物质没有的特性。”

       Varanasi认为当下材料的导电性和导热性都是有相互联系的，一旦可以单独控制导热性和导电性，那么可以拓宽其应用范围，制造类如可以应用到可以控制温度，柔韧性好，可以导电，传递光子的衣服上。

       研究人员分析了类如PEDOT(聚乙撑二氧噻吩)的共轭聚合物，这种材料的导电性和稳定性都很好。Gleason说：“在新的研究中需要回答的一个关键问题是：这种聚合物的导电性能的极限是多少？”

       因此需要对这种材料进行不同场合的应用和评价。一开始研究的时候，材料的导电性在1和10 S/cm，一段时间过后，其性能改善了，接近于100。但是目前的研究结果可以超过3,000 S/cm。仅仅通过制造出超薄层就可使得电子更加容易的移动，Varanasi说：“我们可以得到一种超导材料，同样这种材料的透明性比较高，而且是一种薄膜。”

       其他的半导体材料也广泛应用于电子工业，他们的导电系数也很高，铟锡氧化物(简写ITO)达到 8,000 S/cm。Gleason 说，但是她也同样指出，这些材料比较坚硬而且易碎，然而共轭化合物柔韧性比较好，可以应用于曲面设备中。

       尽管研究的是PEDOT这种材料，Ugur说：“研究结果应该对于所有的共轭聚合物应该都适用。”(聚合物的结构是长链的共轭聚合物是那些至少有一个骨架的聚合物，是由可变的双键和单键构成的，这样使得他们具有导电性。)

       PEDOT具有三种特性，这样使得其具有潜在的较广的应用范围，Gleason说：“导电性，透明性和柔韧性。” “一旦使用ITO，你可以想象一种柔韧性很好的材料。”该团队认为。聚合物材料可以应用于可弯曲的太阳能电池，显示器和触摸屏等等其他的应用领域。

       埃因霍温科技大学的薄膜光电板教授Ruud Schropp虽然没有参与这项研究工作。他对这项工作的评价是：“人们觉得不可能的未嫁接的 PEDOT 薄膜竟然比嫁接薄膜的导电性更好。用这种方式来看待聚合物薄膜的导电性，就好像研究透明的氧化物，类如ITO。”

       该研究团队包括了MIT的博士后Ferhat Katmis 和研究生Mingda Li及布鲁克海文国家重点实验室研究科学家Lijun Wu 和Yimei Zhu。这项工作得到了MIT的士兵纳米科技研究所，美国军队研究办公室和美国能源部的资助。

       译自：http://newsoffice.mit.edu/2015/solving-mysteries-conductivity-polymers-0714
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