导电聚合物和电活性聚合物

导电聚合物和电活性聚合物能够导电或产生电响应，这是因为它们具有共轭主链，当掺杂后，共轭主链会变成半导体或接近金属的材料，从而将塑料转化为活性电子材料。

Definition

导电聚合物和电活性聚合物是有机大分子，其共轭主链在掺杂后能够传导电荷或发生可逆的氧化还原和光学变化，从而使其具有从半导体到金属的电学行为。

Scope

本主题涵盖本征导电聚合物，例如聚乙炔、聚吡咯、聚噻吩、聚苯胺和PEDOT：主链共轭的作用、掺杂的机制和化学过程、包括极化子和双极化子在内的电荷载流子，以及在器件中利用的由此产生的电子、光学和电化学行为。

Core questions

• 为什么主链共轭允许电荷沿聚合物链移动？
• 掺杂如何将绝缘的共轭聚合物转化为导体？
• 极化子和双极化子是什么，它们如何携带电荷？
• 这些聚合物如何用于电子和电化学器件？

Key theories

共轭与能带形成

沿主链交替的单键和双键将π电子离域化为扩展态，类似于价带和导带，提供了电子结构，一旦加入电荷载流子，即可支持导电。

掺杂与电荷载流子

氧化或还原掺杂会移除或添加电子，在链上产生带电的、可移动的缺陷（极化子和双极化子），并将电导率提高许多数量级，这一过程通常是电化学可逆的。

Mechanisms

在共轭聚合物中，p轨道沿主链的重叠使电子离域化，但中性链具有充满的能带，表现为绝缘体或半导体。通过化学氧化或还原，或通过电化学充电进行掺杂，会引入极化子和双极化子形式的电荷载流子——这些是沿链和链间移动的局部带电畸变。材料的电导率、光吸收和颜色随掺杂水平可逆地变化，这是电活性行为的基础。整体电荷传输受限于链间跳跃，因此形态和有序性强烈影响性能。

Clinical relevance

导电聚合物和电活性聚合物使有机电子和能源器件成为可能：基于PEDOT的薄膜可用作透明电极和抗静电涂层，共轭聚合物可用作有机发光二极管、晶体管和太阳能电池中的活性层，氧化还原活性聚合物则用于传感器、电致变色窗、超级电容器和电池电极。

History

Heeger、MacDiarmid和Shirakawa于1977年发现，掺杂聚乙炔可使其电导率提高许多数量级，从而确立了共轭聚合物作为电子材料的地位，并因此获得了2000年诺贝尔化学奖；随后的几十年中，生产出了可加工、稳定的导体，如聚苯胺和PEDOT，使该领域进入商业器件应用。

Key figures

• Alan Heeger
• Alan MacDiarmid
• Hideki Shirakawa

Seminal works

• heeger2001
• young2011

Frequently asked questions

导电聚合物本身是否导电？

在中性状态下，大多数共轭聚合物是半导体或绝缘体。它们只有在掺杂后才变得高度导电，掺杂会添加或移除电子，以在主链上产生可移动的电荷载流子。

导电聚合物用于何处？

它们出现在有机发光二极管、太阳能电池和晶体管中，用作透明和抗静电电极涂层，以及用于传感器、电致变色显示器和储能电极，在这些领域，它们可调谐、可加工的电子行为具有重要价值。