導(dǎo)電高分子材料在電子器件中的研究進(jìn)展

湯 杰

（國(guó)家太陽(yáng)能光伏產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心，江蘇 錫山 214100）

隨著科技的持續(xù)進(jìn)步，在我們生活各個(gè)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(duì)其發(fā)展起著重要影響作用的導(dǎo)電材料也必須實(shí)現(xiàn)更新進(jìn)步，于是導(dǎo)電高分子材料就應(yīng)運(yùn)而生，傳統(tǒng)導(dǎo)電材料由于在成本、性能等方面存在缺陷，正逐步被導(dǎo)電高分子材料所取代。導(dǎo)電高分子材料是指由具有良好導(dǎo)電性的聚合物制成的一種新型材料，或是通過(guò)添加導(dǎo)電劑形成以高分子材料為基體的一種復(fù)合材料[1]。因?yàn)楦叻肿硬牧系膶?dǎo)電性一般是人為作用所產(chǎn)生的，所以一般而言其導(dǎo)電率的大小是具體可控的，這就增強(qiáng)了導(dǎo)電高分子材料的應(yīng)用價(jià)值，再加上其本身所具有的質(zhì)輕、耐蝕等優(yōu)良的機(jī)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(dǎo)電高分子材料簡(jiǎn)介及特點(diǎn)

1.1 導(dǎo)電高分子村料簡(jiǎn)介

導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電性能各不相同，一般根據(jù)其導(dǎo)電率大小可分為半導(dǎo)體材料、金屬導(dǎo)體材料和超導(dǎo)體材料，但其導(dǎo)電率都可達(dá)到10-6s/m。另外，按其具體結(jié)構(gòu)又可分為復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料和結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料，復(fù)合型是指以常用的高分子材料為基體，通過(guò)添加導(dǎo)電劑等具有良好導(dǎo)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(dǎo)電性的復(fù)合材料；結(jié)構(gòu)性就是指利用高分子材料本身的導(dǎo)電特性制成的導(dǎo)體材料。高分子材料指的是以分子量超過(guò)一萬(wàn)的高分子化合物為基體，再通過(guò)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(lái)展開(kāi)應(yīng)用，但20世紀(jì)70年代日本首先發(fā)現(xiàn)了高分子材料也可具有金屬導(dǎo)電性，由此拉開(kāi)了對(duì)于導(dǎo)電高分子材料的研究。目前，已經(jīng)有許多成熟的導(dǎo)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(shí)現(xiàn)了基本普及。

1.2 導(dǎo)電高分子材料的主要特點(diǎn)

導(dǎo)電高分子材料之所以可以取代傳統(tǒng)導(dǎo)體，不僅僅是由于其導(dǎo)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(dǎo)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(qiáng)，比如導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電性，就可以根據(jù)電子器件的實(shí)際需求來(lái)進(jìn)行具體調(diào)節(jié)，這一優(yōu)勢(shì)就使得其可以在各個(gè)行業(yè)展開(kāi)應(yīng)用。因?yàn)楦叻肿硬牧洗蠖嗔W(xué)性能優(yōu)異，其粘合度較高，斷裂強(qiáng)度與抗拉輕強(qiáng)等都較高，所以在電子器件中應(yīng)用高分子材料還會(huì)大大增加電子器件的使用壽命。

2 導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理

2.1 結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理

目前，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出來(lái)的結(jié)構(gòu)型導(dǎo)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(dǎo)電的高分子材料，它們產(chǎn)生導(dǎo)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?cè)诮?jīng)過(guò)摻雜后容易失電子，由此形成可以自由移動(dòng)的空穴載流子，與傳統(tǒng)導(dǎo)體中的自由電子類似，共軛高分子也是通過(guò)空穴載流子的定向移動(dòng)來(lái)產(chǎn)生電流的。

大多數(shù)結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子都是經(jīng)過(guò)摻雜作用才能獲得導(dǎo)電性能，所以其對(duì)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(dǎo)致結(jié)構(gòu)型高分子的導(dǎo)電性能也不穩(wěn)定，在電子器件中的實(shí)際應(yīng)用無(wú)法實(shí)現(xiàn)大面積普及，從而限制了結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料的進(jìn)一步發(fā)展，所以針對(duì)摻雜劑穩(wěn)定性的研究是當(dāng)下結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料的工作重點(diǎn)。

2.2 復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理

由于結(jié)構(gòu)型導(dǎo)電高分子材料在應(yīng)用方面存在缺陷，所以近年來(lái)對(duì)于導(dǎo)電高分子材料的研究重點(diǎn)在于復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料，它的生產(chǎn)原料更加廣泛，制造工藝也不復(fù)雜，容易控制生產(chǎn)成本，且因?yàn)槠鋵?dǎo)電性是在高分子材料上覆蓋的導(dǎo)電膜所產(chǎn)生的，所以它的導(dǎo)電性能可調(diào)節(jié)性更強(qiáng)，二次加工制造也更加簡(jiǎn)便。根據(jù)研究，業(yè)界對(duì)于復(fù)合型導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電機(jī)理看法頗多，但最受認(rèn)可的還是逾滲理論、隧道效應(yīng)理論和場(chǎng)發(fā)射理論三種理論。

逾滲理論是最先出現(xiàn)且被廣泛認(rèn)可的針對(duì)復(fù)合型導(dǎo)電機(jī)理的理論，該理論認(rèn)為復(fù)合型導(dǎo)電高分子的導(dǎo)電性受其導(dǎo)電填充物的影響，由于導(dǎo)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(dòng)而導(dǎo)電的粒子鏈，由此整個(gè)復(fù)合材料都具有了導(dǎo)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(duì)逾滲理論無(wú)法解釋的高分子材料中存在的導(dǎo)電粒子雖沒(méi)有相互接觸但可產(chǎn)生導(dǎo)電性的現(xiàn)象，該導(dǎo)電理論認(rèn)為不要求導(dǎo)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(dòng)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(shí)現(xiàn)自由移動(dòng)，最終使高分子復(fù)合材料獲得導(dǎo)電性。

場(chǎng)發(fā)射理論也是在隧道效應(yīng)理論的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展而得，該理論認(rèn)為導(dǎo)電高分子材料的導(dǎo)電性對(duì)填充物的濃度要求并不高，也不一定依靠粒子相互熱振動(dòng)效應(yīng)才可以激發(fā)電子躍遷，其導(dǎo)電性是因?yàn)閷?dǎo)電粒子所激發(fā)的電場(chǎng)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(fù)合材料內(nèi)部可以激發(fā)出強(qiáng)大電場(chǎng)，從而為電子躍遷提供足夠的動(dòng)力，就可以使得電子自由移動(dòng)，最終使材料具有導(dǎo)電性。

其實(shí)這三種導(dǎo)電理論并沒(méi)有絕對(duì)的對(duì)錯(cuò)之分，具體導(dǎo)電機(jī)理的選擇應(yīng)該根據(jù)導(dǎo)電高分子材料的實(shí)際情況。當(dāng)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(shí)，就可以采用逾滲理論解釋其導(dǎo)電機(jī)理；而當(dāng)填充物濃度不足使得粒子間距較大時(shí)，由填充物本身特性決定的激發(fā)電場(chǎng)也不夠大，就說(shuō)明該材料的導(dǎo)電性是通過(guò)隧道效應(yīng)產(chǎn)生；而當(dāng)填充物濃度低，導(dǎo)電粒子距離遠(yuǎn)，但粒子間激發(fā)電場(chǎng)強(qiáng)，對(duì)電子的電場(chǎng)力大，就說(shuō)明場(chǎng)發(fā)射理論在復(fù)合型高分子產(chǎn)生導(dǎo)電性中占據(jù)主導(dǎo)地位。

3 導(dǎo)電高分子材料在電子器件中的應(yīng)用

3.1 導(dǎo)電高分子材料在太陽(yáng)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(dǎo)電率較高被作為電極材料廣泛應(yīng)用于柔性太陽(yáng)能電池中，而太陽(yáng)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(duì)于PEDOT的研究就主要針對(duì)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(jiǎn)要列舉幾個(gè)例子進(jìn)行介紹：比如有針對(duì)鈣鈦礦太陽(yáng)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(guò)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(yáng)能電池的效率提升了4%左右，其電池儲(chǔ)存效率也明顯提升，儲(chǔ)存時(shí)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(yáng)能電池的電池效率提升4%左右，實(shí)踐證明，經(jīng)過(guò)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(yáng)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(guò)提高空穴傳輸層的導(dǎo)電率來(lái)達(dá)到提升鈣鈦礦太陽(yáng)能電池性能的目的，實(shí)驗(yàn)表明只需要摻雜劑在整個(gè)薄膜電極中占到0.5%，電池效率就可以提升4%左右。而當(dāng)共摻雜劑改為碳納米管（CNTs）和二甲基亞砜（DMSO）的混合物時(shí)，對(duì)于太陽(yáng)能電池的光電轉(zhuǎn)換效率有明顯提升，與這二者單獨(dú)作摻雜劑和沒(méi)有使用摻雜劑時(shí)相比，電池的光電轉(zhuǎn)換效率分別擴(kuò)大至2倍、3倍和4倍。

3.2 導(dǎo)電高分子材料在超級(jí)電容器中的應(yīng)用

超級(jí)電容器是一種用于儲(chǔ)存電能的電子器件，其具有使用壽命長(zhǎng)、使用過(guò)程健康、性能優(yōu)異等特點(diǎn)，而其性能優(yōu)異的關(guān)鍵就在于電極材料的高導(dǎo)電性能，而這其中導(dǎo)電高分子材料就發(fā)揮了重要作用。有研究人員通過(guò)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(jí)電容器的電極材料。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)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(jí)電容器的循環(huán)穩(wěn)定性也明顯增強(qiáng)。另外，導(dǎo)電高分子材料與納米管的聯(lián)合作用也能增強(qiáng)超級(jí)電容器的性能，比如將納米管作為基體，將導(dǎo)電高分子單體聚合到納米管上就可形成管狀導(dǎo)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(shì)，還可增加電容器的電能儲(chǔ)存量，單位面積下電容值明顯增大。導(dǎo)電高分子材料與當(dāng)前比較熱門(mén)的石墨烯聯(lián)合也是超級(jí)電容器電極材料的研究熱點(diǎn)，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(fù)合材料作為超級(jí)電容器的電極材料，由于該復(fù)合材料的結(jié)構(gòu)便于離子或電子的移動(dòng)，所以制成的超級(jí)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(dǎo)電高分子材料電極更優(yōu)異。

3.3 導(dǎo)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(cè)量物質(zhì)信息轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的裝置，對(duì)傳感器的兩個(gè)重要要求就是穩(wěn)定性與敏感度，而使用導(dǎo)電高分子材料制備出的傳感器就可以完美符合這兩點(diǎn)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(yàn)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(fù)合制備成薄膜，再與PEN結(jié)合制成傳感器，此傳感器對(duì)外界壓力感應(yīng)敏感度極高，且壓力消失后的回復(fù)速度也極快，對(duì)外輸出的電信號(hào)強(qiáng)烈，整體性能優(yōu)異。另外，還可將導(dǎo)電高分子材料與常見(jiàn)的碳材料結(jié)合制備傳感器，該導(dǎo)電高分子材料屬于結(jié)構(gòu)型高分子材料，且本身獨(dú)特的結(jié)構(gòu)決定了其對(duì)氣體敏感度極高，制成的化學(xué)傳感器能夠使待檢測(cè)氣體順利通過(guò)，所以對(duì)待檢測(cè)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(cè)范圍大，檢測(cè)速度快。

3.4 導(dǎo)電高分子材料在電路板中的應(yīng)用

電路板在市場(chǎng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)運(yùn)行和控制。電路板經(jīng)過(guò)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(cuò)誤問(wèn)題，同時(shí)還可以有效地提升自動(dòng)化、智能化水平，提高生產(chǎn)效率，產(chǎn)生較高的競(jìng)價(jià)效益。有些學(xué)者重點(diǎn)研究高分子材料在電路板內(nèi)的應(yīng)用，比如進(jìn)行電路板絕緣土層的聚對(duì)苯撐二甲基系列的制作以及成膜機(jī)理方式，結(jié)合化學(xué)氣相沉積結(jié)合特性展開(kāi)分析、探討和研究；而有些學(xué)者則重點(diǎn)研究導(dǎo)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(shù)脂粘合劑的制作進(jìn)行深入的研究和應(yīng)用，了解其表征，并且對(duì)于材料性能展開(kāi)全面的檢測(cè)；有些學(xué)者主要對(duì)電路板材料的成分進(jìn)行研究，其粘合劑主要采用的是聚酰亞胺樹(shù)脂；有些學(xué)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(duì)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(dá)到節(jié)能、降耗的效果，綜合利用價(jià)值較高。

3.5 導(dǎo)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(dǎo)體設(shè)備、被動(dòng)組件等部分所構(gòu)成，所以被大量的應(yīng)用到實(shí)際中，主要的用途是制作半導(dǎo)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(jiàn)的應(yīng)用形式，利用集成電路將內(nèi)置芯片連接起來(lái)，并且通過(guò)外用的管殼實(shí)現(xiàn)安裝、固定以及密封處理，從而可以有效地保護(hù)內(nèi)部的芯片不會(huì)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(xué)者對(duì)聚丙烯腈高分子半導(dǎo)體纖維植被以及半導(dǎo)體特性進(jìn)行研究分析，通過(guò)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(huì)發(fā)生很大的變化，會(huì)形成一種有半導(dǎo)體性能且力學(xué)性能優(yōu)越的高分子半導(dǎo)體纖維材料，經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)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(xué)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(duì)于安裝在該載體內(nèi)的芯片實(shí)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(yǔ)

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(kāi)啟一個(gè)快速增長(zhǎng)的新階段，導(dǎo)電高分子材料的性能需要進(jìn)一步更新。因此，有關(guān)導(dǎo)電高分子材料的研究具有重要意義。太陽(yáng)能電池、超級(jí)電容器和傳感器只是用于高分子材料應(yīng)用的一個(gè)分支。將來(lái)，可在屏蔽、顯示器和生物醫(yī)學(xué)材料等領(lǐng)域使用導(dǎo)電高分子材料，預(yù)計(jì)這些材料將成為新一代的導(dǎo)電材料。