導電高分子材料在電子器件中的研究進展

湯杰

摘 要 導電高分子材料作為新型導體，因為其自身的優(yōu)良性能和不輸于傳統(tǒng)導體的高導電率，使得其有著全面取代傳統(tǒng)導體的趨勢，所以對導電高分子材料進行細致研究很有必要。而其由于發(fā)展時間并不長，所以人們對于導電高分子材料的認識度還不夠高，本文以導電高分子材料在電子器件中的應(yīng)用為出發(fā)點，從導電高分子材料的概況及特點、導電機理、具體應(yīng)用等方面對其展開簡要介紹，以期能為相關(guān)研究提供有益幫助。

關(guān)鍵詞 導電高分子材料 電子器件 導電機理

中圖分類號：TM24 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0745（2022）02-0001-03

隨著科技的持續(xù)進步，在我們生活各個領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛的電子器件也有了新的發(fā)展要求，所以對其發(fā)展起著重要影響作用的導電材料也必須實現(xiàn)更新進步，于是導電高分子材料就應(yīng)運而生，傳統(tǒng)導電材料由于在成本、性能等方面存在缺陷，正逐步被導電高分子材料所取代。導電高分子材料是指由具有良好導電性的聚合物制成的一種新型材料，或是通過添加導電劑形成以高分子材料為基體的一種復合材料[1]。因為高分子材料的導電性一般是人為作用所產(chǎn)生的，所以一般而言其導電率的大小是具體可控的，這就增強了導電高分子材料的應(yīng)用價值，再加上其本身所具有的質(zhì)輕、耐蝕等優(yōu)良的機械性能，使得其已經(jīng)在電子器件中得到了基本普及[2]。

1 導電高分子材料簡介及特點

1.1 導電高分子村料簡介

導電高分子材料的導電性能各不相同，一般根據(jù)其導電率大小可分為半導體材料、金屬導體材料和超導體材料，但其導電率都可達到10-6s/m。另外，按其具體結(jié)構(gòu)又可分為復合型導電高分子材料和結(jié)構(gòu)型導電高分子材料，復合型是指以常用的高分子材料為基體，通過添加導電劑等具有良好導電性能的物質(zhì)，形成既具有高分子材料本身特性又兼具導電性的復合材料;結(jié)構(gòu)性就是指利用高分子材料本身的導電特性制成的導體材料。高分子材料指的是以分子量超過一萬的高分子化合物為基體，再通過摻雜其他添加劑聯(lián)合作用形成的材料，其研究初期都是被看作絕緣體來展開應(yīng)用，但20世紀70年代日本首先發(fā)現(xiàn)了高分子材料也可具有金屬導電性，由此拉開了對于導電高分子材料的研究。目前，已經(jīng)有許多成熟的導電高分子材料應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)及尖端技術(shù)研究，在電子器件的應(yīng)用也實現(xiàn)了基本普及。

1.2 導電高分子材料的主要特點

導電高分子材料之所以可以取代傳統(tǒng)導體，不僅僅是由于其導電性能的優(yōu)異，更在于其本身所具有的良好材料性能，比如密度小、易加工、耐腐蝕、抗摩擦等，這些都是其他傳統(tǒng)導電材料所不具備的。另外，由于高分子材料大多都是由人工合成的，所以其性能可調(diào)控性較強，比如導電高分子材料的導電性，就可以根據(jù)電子器件的實際需求來進行具體調(diào)節(jié)，這一優(yōu)勢就使得其可以在各個行業(yè)展開應(yīng)用。因為高分子材料大多力學性能優(yōu)異，其粘合度較高，斷裂強度與抗拉輕強等都較高，所以在電子器件中應(yīng)用高分子材料還會大大增加電子器件的使用壽命。

2 導電高分子材料的導電機理

2.1 結(jié)構(gòu)型導電高分子材料的導電機理

目前，已經(jīng)開發(fā)出來的結(jié)構(gòu)型導電高分子材料已經(jīng)有很多，但使用最頻繁的還是聚吡咯（PPy）、聚苯硫醚、聚酞菁類化合物、聚苯胺、聚噻吩等能導電的高分子材料，它們產(chǎn)生導電的原因是這些高分子材料內(nèi)部都可以形成共軛鍵結(jié)構(gòu)，所以它們也被叫作共軛高分子。它們在經(jīng)過摻雜后容易失電子，由此形成可以自由移動的空穴載流子，與傳統(tǒng)導體中的自由電子類似，共軛高分子也是通過空穴載流子的定向移動來產(chǎn)生電流的。

大多數(shù)結(jié)構(gòu)型導電高分子都是經(jīng)過摻雜作用才能獲得導電性能，所以其對摻雜劑的依賴程度較高，而摻雜劑本身性質(zhì)并不穩(wěn)定，在空氣中易發(fā)生氧化反應(yīng)而變性。這就導致結(jié)構(gòu)型高分子的導電性能也不穩(wěn)定，在電子器件中的實際應(yīng)用無法實現(xiàn)大面積普及，從而限制了結(jié)構(gòu)型導電高分子材料的進一步發(fā)展，所以針對摻雜劑穩(wěn)定性的研究是當下結(jié)構(gòu)型導電高分子材料的工作重點。

2.2 復合型導電高分子材料的導電機理

由于結(jié)構(gòu)型導電高分子材料在應(yīng)用方面存在缺陷，所以近年來對于導電高分子材料的研究重點在于復合型導電高分子材料，它的生產(chǎn)原料更加廣泛，制造工藝也不復雜，容易控制生產(chǎn)成本，且因為其導電性是在高分子材料上覆蓋的導電膜所產(chǎn)生的，所以它的導電性能可調(diào)節(jié)性更強，二次加工制造也更加簡便。根據(jù)研究，業(yè)界對于復合型導電高分子材料的導電機理看法頗多，但最受認可的還是逾滲理論、隧道效應(yīng)理論和場發(fā)射理論三種理論。

逾滲理論是最先出現(xiàn)且被廣泛認可的針對復合型導電機理的理論，該理論認為復合型導電高分子的導電性受其導電填充物的影響，由于導電填充物含量增大，其在高分子基體內(nèi)就可以形成可以依靠自由移動而導電的粒子鏈，由此整個復合材料都具有了導電性。

隧道效應(yīng)理論的發(fā)展也受逾滲理論的影響，主要是針對逾滲理論無法解釋的高分子材料中存在的導電粒子雖沒有相互接觸但可產(chǎn)生導電性的現(xiàn)象，該導電理論認為不要求導電粒子間必須相互接觸才能形成粒子鏈，只要它們距離足夠近，互相產(chǎn)生的熱振動效應(yīng)就可以為粒子提供足夠的能量，從而使得電子發(fā)生躍遷實現(xiàn)自由移動，最終使高分子復合材料獲得導電性。

場發(fā)射理論也是在隧道效應(yīng)理論的基礎(chǔ)上進一步發(fā)展而得，該理論認為導電高分子材料的導電性對填充物的濃度要求并不高，也不一定依靠粒子相互熱振動效應(yīng)才可以激發(fā)電子躍遷，其導電性是因為導電粒子所激發(fā)的電場使得電子發(fā)生躍遷的，所以只要高分子材料與填充物形成的復合材料內(nèi)部可以激發(fā)出強大電場，從而為電子躍遷提供足夠的動力，就可以使得電子自由移動，最終使材料具有導電性。

其實這三種導電理論并沒有絕對的對錯之分，具體導電機理的選擇應(yīng)該根據(jù)導電高分子材料的實際情況。當高分子材料基體中的填充物含量較高且粒子間相互接觸時，就可以采用逾滲理論解釋其導電機理;而當填充物濃度不足使得粒子間距較大時，由填充物本身特性決定的激發(fā)電場也不夠大，就說明該材料的導電性是通過隧道效應(yīng)產(chǎn)生;而當填充物濃度低，導電粒子距離遠，但粒子間激發(fā)電場強，對電子的電場力大，就說明場發(fā)射理論在復合型高分子產(chǎn)生導電性中占據(jù)主導地位。

3 導電高分子材料在電子器件中的應(yīng)用

3.1 導電高分子材料在太陽能電池中的應(yīng)用

PEDOT是3，4-乙烯二氧噻吩單體的聚合物，因其導電率較高被作為電極材料廣泛應(yīng)用于柔性太陽能電池中，而太陽能電池的效率就主要取決于其內(nèi)部原電池電極的性能，所以對于PEDOT的研究就主要針對提升其電極性能。目前在此方面的研究已經(jīng)足夠深入，本文簡要列舉幾個例子進行介紹：比如有針對鈣鈦礦太陽能電池的電極研究，研究人員首先制備了PEDOT：PSS薄膜電極，再通過在其表面填涂將氧化石墨烯（GO）-乙醇溶液使該電極具備了GO的優(yōu)良性能，從而使得鈣鈦礦太陽能電池的效率提升了4%左右，其電池儲存效率也明顯提升，儲存時間大大增加;另外在PEDOT：PSS薄膜電極中摻雜少量的F4-TCNQ，也可將鈣鈦礦太陽能電池的電池效率提升4%左右，實踐證明，經(jīng)過此改變的PEDOT：PSS薄膜可以作為一種高效的空穴傳輸層，從而使鈣鈦礦太陽能電池整體性能大大提高。還有研究將此薄膜的摻雜劑改變，選擇左旋多巴（DOPA）和二甲基亞砜（DMSO）的混合物作為共摻雜劑，這樣就可以通過提高空穴傳輸層的導電率來達到提升鈣鈦礦太陽能電池性能的目的，實驗表明只需要摻雜劑在整個薄膜電極中占到0.5%，電池效率就可以提升4%左右。而當共摻雜劑改為碳納米管（CNTs）和二甲基亞砜（DMSO）的混合物時，對于太陽能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有明顯提升，與這二者單獨作摻雜劑和沒有使用摻雜劑時相比，電池的光電轉(zhuǎn)換效率分別擴大至2倍、3倍和4倍。

3.2 導電高分子材料在超級電容器中的應(yīng)用

超級電容器是一種用于儲存電能的電子器件，其具有使用壽命長、使用過程健康、性能優(yōu)異等特點，而其性能優(yōu)異的關(guān)鍵就在于電極材料的高導電性能，而這其中導電高分子材料就發(fā)揮了重要作用。有研究人員通過在PAN在基體中添加酚醛基微球改性劑，制備出了PAN纖維符合高分子材料并將其作為超級電容器的電極材料。經(jīng)試驗測試發(fā)現(xiàn)這種方法制備出的電極比電容值將大大增加，超級電容器的循環(huán)穩(wěn)定性也明顯增強。另外，導電高分子材料與納米管的聯(lián)合作用也能增強超級電容器的性能，比如將納米管作為基體，將導電高分子單體聚合到納米管上就可形成管狀導電高分子材料，將其作為電極不僅有著結(jié)構(gòu)可調(diào)、加工制造方便等優(yōu)勢，還可增加電容器的電能儲存量，單位面積下電容值明顯增大。導電高分子材料與當前比較熱門的石墨烯聯(lián)合也是超級電容器電極材料的研究熱點，有研究人員將聚苯胺（PANI）與還原氧化石墨烯（RGO）結(jié)合制成的復合材料作為超級電容器的電極材料，由于該復合材料的結(jié)構(gòu)便于離子或電子的移動，所以制成的超級電容器電流密度、比電容值都明顯增加，循環(huán)穩(wěn)定性比普通導電高分子材料電極更優(yōu)異。

3.3 導電高分子材料在傳感器中的應(yīng)用

傳感器是一種可以將帶測量物質(zhì)信息轉(zhuǎn)化為電信號的裝置，對傳感器的兩個重要要求就是穩(wěn)定性與敏感度，而使用導電高分子材料制備出的傳感器就可以完美符合這兩點要求。有研究將孔隙率大、回彈性好的聚氨酯與聚吡咯聚合，制備出以聚氨酯-聚吡咯為主要原料的傳感器，經(jīng)試驗證明，該傳感器的穩(wěn)定性良好，靈敏度也較高，最低可以感應(yīng)0.2N的壓力。還有將聚二甲基硅氧烷納米頭次纖維復合制備成薄膜，再與PEN結(jié)合制成傳感器，此傳感器對外界壓力感應(yīng)敏感度極高，且壓力消失后的回復速度也極快，對外輸出的電信號強烈，整體性能優(yōu)異。另外，還可將導電高分子材料與常見的碳材料結(jié)合制備傳感器，該導電高分子材料屬于結(jié)構(gòu)型高分子材料，且本身獨特的結(jié)構(gòu)決定了其對氣體敏感度極高，制成的化學傳感器能夠使待檢測氣體順利通過，所以對待檢測氣體本身變化引發(fā)的吸、脫附效應(yīng)敏感度極高，而且檢測范圍大，檢測速度快。

3.4 導電高分子材料在電路板中的應(yīng)用

電路板在市場上也被人們叫做線路板或者PCB板，其上面包含比較多的電子元件，可實現(xiàn)系統(tǒng)運行和控制。電路板經(jīng)過了百余年的發(fā)展，到現(xiàn)代技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并且版圖的形式也比較多樣化，可以滿足多種條件下的應(yīng)用。電路板的使用可以減少布線的數(shù)量，裝配速度更快，能夠消除各種人為錯誤問題，同時還可以有效地提升自動化、智能化水平，提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)生較高的競價效益。有些學者重點研究高分子材料在電路板內(nèi)的應(yīng)用，比如進行電路板絕緣土層的聚對苯撐二甲基系列的制作以及成膜機理方式，結(jié)合化學氣相沉積結(jié)合特性展開分析、探討和研究;而有些學者則重點研究導電粘合劑內(nèi)的成分含量，具體利用其中的羧基聚酰亞胺及環(huán)氧樹脂粘合劑的制作進行深入的研究和應(yīng)用，了解其表征，并且對于材料性能展開全面的檢測;有些學者主要對電路板材料的成分進行研究，其粘合劑主要采用的是聚酰亞胺樹脂;有些學者的研究方向是耐高溫紫外正型刻膠以及光刻工藝方面，其中光刻工藝是目前線路板生產(chǎn)制造領(lǐng)域內(nèi)非常重要的一種技術(shù)，對于電路板領(lǐng)域的發(fā)展影響非常大，所以需要充分重視該技術(shù)的應(yīng)用。因此，高分子材料在電路板領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛，可以有效地提升電路板的總體性能，還能夠達到節(jié)能、降耗的效果，綜合利用價值較高。

3.5 導電高分子材料在芯片中的應(yīng)用

芯片也稱為集成電路，其是一種微小電路的形式，主要由半導體設(shè)備、被動組件等部分所構(gòu)成，所以被大量的應(yīng)用到實際中，主要的用途是制作半導體晶圓表面結(jié)構(gòu)。電子封裝技術(shù)是高分子材料在芯片領(lǐng)域內(nèi)比較常見的應(yīng)用形式，利用集成電路將內(nèi)置芯片連接起來，并且通過外用的管殼實現(xiàn)安裝、固定以及密封處理，從而可以有效地保護內(nèi)部的芯片不會受到任何的影響，還可以具備較高的環(huán)境適應(yīng)能力，提高總體應(yīng)用效果。有些學者對聚丙烯腈高分子半導體纖維植被以及半導體特性進行研究分析，通過研究分析可以了解到聚丙烯腈纖維在熱處理操作之后，其內(nèi)部會發(fā)生很大的變化，會形成一種有半導體性能且力學性能優(yōu)越的高分子半導體纖維材料，經(jīng)過實驗分析發(fā)現(xiàn)，高分子材料在芯片領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用比較廣泛，發(fā)揮著重要的作用。此外，有些學者深入研究電子封裝技術(shù)，并且將芯片安裝到某種特定的載體之上，該載體所能夠限制的范圍比較小，通?？梢赃x擇應(yīng)用薄膜載體的形式，而對于安裝在該載體內(nèi)的芯片實施封裝處理，應(yīng)用酚醛環(huán)氧塑料封裝處理效果明顯。

4 結(jié)語

隨著3d打印和智能制造等新興產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子設(shè)備將開啟一個快速增長的新階段，導電高分子材料的性能需要進一步更新。因此，有關(guān)導電高分子材料的研究具有重要意義。太陽能電池、超級電容器和傳感器只是用于高分子材料應(yīng)用的一個分支。將來，可在屏蔽、顯示器和生物醫(yī)學材料等領(lǐng)域使用導電高分子材料，預計這些材料將成為新一代的導電材料。

參考文獻：

[1] 張鵬飛，寇開昌.碳系填充環(huán)氧樹脂復合材料導電性能研究進展[J].工程塑料應(yīng)用，2017，45（09）：134-139.

[2] 辛明亮.工業(yè)用氯化聚氯乙烯管道失效機理研究進展[J].塑料工業(yè)，2016，44（05）：6-9.