導電高分子材料在電子器件中的研究進展

湯 杰

（國家太陽能光伏產品質量檢驗檢測中心，江蘇 錫山 214100）

隨著科技的持續進步，在我們生活各個領域中應用廣泛的電子器件也有了新的發展要求，所以對其發展起著重要影響作用的導電材料也必須實現更新進步，于是導電高分子材料就應運而生，傳統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用價值，再加上其本身所具有的質輕、耐蝕等優良的機械性能，使得其已經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，按其具體結構又可分為復合型導電高分子材料和結構型導電高分子材料，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，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；結構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用，但20世紀70年代日本首先發現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，已經有許多成熟的導電高分子材料應用于工業生產及尖端技術研究，在電子器件的應用也實現了基本普及。

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導體，不僅僅是由于其導電性能的優異，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，所以其性能可調控性較強，比如導電高分子材料的導電性，就可以根據電子器件的實際需求來進行具體調節，這一優勢就使得其可以在各個行業展開應用。因為高分子材料大多力學性能優異，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 結構型導電高分子材料的導電機理

目前，已經開發出來的結構型導電高分子材料已經有很多，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，它們產生導電的原因是這些高分子材料內部都可以形成共軛鍵結構，所以它們也被叫作共軛高分子。它們在經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生電流的。

大多數結構型導電高分子都是經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，而摻雜劑本身性質并不穩定，在空氣中易發生氧化反應而變性。這就導致結構型高分子的導電性能也不穩定，在電子器件中的實際應用無法實現大面積普及，從而限制了結構型導電高分子材料的進一步發展，所以針對摻雜劑穩定性的研究是當下結構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

由于結構型導電高分子材料在應用方面存在缺陷，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，它的生產原料更加廣泛，制造工藝也不復雜，容易控制生產成本，且因為其導電性是在高分子材料上覆蓋的導電膜所產生的，所以它的導電性能可調節性更強，二次加工制造也更加簡便。根據研究，業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、隧道效應理論和場發射理論三種理論。

逾滲理論是最先出現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。

隧道效應理論的發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生導電性的現象，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，互相產生的熱振動效應就可以為粒子提供足夠的能量，從而使得電子發生躍遷實現自由移動，最終使高分子復合材料獲得導電性。

場發射理論也是在隧道效應理論的基礎上進一步發展而得，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才可以激發電子躍遷，其導電性是因為導電粒子所激發的電場使得電子發生躍遷的，所以只要高分子材料與填充物形成的復合材料內部可以激發出強大電場，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該根據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電場也不夠大，就說明該材料的導電性是通過隧道效應產生；而當填充物濃度低，導電粒子距離遠，但粒子間激發電場強，對電子的電場力大，就說明場發射理論在復合型高分子產生導電性中占據主導地位。

3 導電高分子材料在電子器件中的應用

3.1 導電高分子材料在太陽能電池中的應用

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、性能優異等特點，而其性能優異的關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。經試驗測試發現這種方法制備出的電極比電容值將大大增加，超級電容器的循環穩定性也明顯增強。另外，導電高分子材料與納米管的聯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構可調、加工制造方便等優勢，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構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，循環穩定性比普通導電高分子材料電極更優異。

3.3 導電高分子材料在傳感器中的應用

傳感器是一種可以將帶測量物質信息轉化為電信號的裝置，對傳感器的兩個重要要求就是穩定性與敏感度，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，經試驗證明，該傳感器的穩定性良好，靈敏度也較高，最低可以感應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結合制成傳感器，此傳感器對外界壓力感應敏感度極高，且壓力消失后的回復速度也極快，對外輸出的電信號強烈，整體性能優異。另外，還可將導電高分子材料與常見的碳材料結合制備傳感器，該導電高分子材料屬于結構型高分子材料，且本身獨特的結構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的吸、脫附效應敏感度極高，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，可實現系統運行和控制。電路板經過了百余年的發展，到現代技術已經比較成熟，并且版圖的形式也比較多樣化，可以滿足多種條件下的應用。電路板的使用可以減少布線的數量，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，提高生產效率，產生較高的競價效益。有些學者重點研究高分子材料在電路板內的應用，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，結合化學氣相沉積結合特性展開分析、探討和研究；而有些學者則重點研究導電粘合劑內的成分含量，具體利用其中的羧基聚酰亞胺及環氧樹脂粘合劑的制作進行深入的研究和應用，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制造領域內非常重要的一種技術，對于電路板領域的發展影響非常大，所以需要充分重視該技術的應用。因此，高分子材料在電路板領域應用日益廣泛，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，主要由半導體設備、被動組件等部分所構成，所以被大量的應用到實際中，主要的用途是制作半導體晶圓表面結構。電子封裝技術是高分子材料在芯片領域內比較常見的應用形式，利用集成電路將內置芯片連接起來，并且通過外用的管殼實現安裝、固定以及密封處理，從而可以有效地保護內部的芯片不會受到任何的影響，還可以具備較高的環境適應能力，提高總體應用效果。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，其內部會發生很大的變化，會形成一種有半導體性能且力學性能優越的高分子半導體纖維材料，經過實驗分析發現，高分子材料在芯片領域內應用比較廣泛，發揮著重要的作用。此外，有些學者深入研究電子封裝技術，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，通常可以選擇應用薄膜載體的形式，而對于安裝在該載體內的芯片實施封裝處理，應用酚醛環氧塑料封裝處理效果明顯。

4 結語

隨著3D打印和智能制造等新興產業的發展，電子設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用的一個分支。將來，可在屏蔽、顯示器和生物醫學材料等領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。