摻雜對聚合物導電性的影響的理論研究.pdf

1、本工作運用密度泛函方法研究近三十年來備受關注的有機導電聚合物的摻雜問題，分別計算了不同摻雜濃度下、堿金屬鹽摻雜的聚苯甲亞胺（聚苯胺的衍生物）和碘摻雜的聚苯硫醚的幾何結構和電子性質，通過對它們的單體、低聚物和相應聚合物的結構的計算，詳細地分析了摻雜劑對導電高分子材料的導電性能的影響。主要研究內容如下:
　　 第一節(jié)，我們介紹了有機導電聚合物材料的研究現(xiàn)狀、導電機理、應用以及設計等。有機導電高分子材料由于其良好的導電性能、特殊的光學

2、性質和潛在的應用前景，有關方面的研究已經(jīng)成為新型有機功能材料領域的明星課題。此外，我們還介紹了本文工作的研究內容及研究意義。
　　 第二節(jié)，我們詳細地介紹了本研究工作采用的計算方法，即密度泛函理論(DFT)，同時還列出了若干重要的理論分析方法，主要包括分子中的原子(AIM)理論，自然成鍵軌道(NBO)分析，以及含時密度泛函理論(TD-DFT)。
　　 第三節(jié)，我們運用密度泛函方法，在B3LYP/6-31G(d)水平下，計

3、算了不同摻雜濃度下，不同堿金屬鹽(KCl、NaCl、LiCl)摻雜的低聚苯甲亞胺的結構和電子性質。在優(yōu)化的結構基礎上，我們在相同理論水平下，計算了它們對應的周期聚合物的結構和電子性質，并進行了電子密度拓撲分析、自然鍵軌道分析、局域態(tài)密度分析等。分析結果表明摻雜劑的引入使聚合物分子鏈上發(fā)生了電荷轉移，從而使得聚苯甲亞胺的導電性顯著增強，由本征態(tài)的絕緣體變?yōu)閾诫s態(tài)的半導體。在同一種摻雜劑下，隨著摻雜濃度的增加，聚合物的導電性隨之增強，而不同

4、摻雜劑時，堿金屬的堿性越強，引起的電荷轉移量越多，即KCl作為摻雜劑時所引起的聚合物分子鏈電子性質的變化最顯著。因此，摻雜劑的引入是一種增強有機導電高分子材料導電性的重要方法，而我們研究的KCl摻雜聚苯甲亞胺，在合適的摻雜濃度下，是一種潛在的導電高分子材料。
　　 第四節(jié)，采用密度泛函理論的B3LYP方法，對I2采用贗勢基組LANL2DZ，而對其余非金屬原子采用6-31g*基組進行計算，我們研究了碘摻雜的聚苯硫醚(PPS)的結構

5、和電子性質。主要從電子差分密度、Mulliken電荷分布、軌道組成分析、垂直吸收光譜分析、局域態(tài)密度等方面深入研究了摻雜態(tài)的聚苯硫醚的結構和電子性質。由于聚苯硫醚的氧化電勢很高(6.3eV)，因而它在本征態(tài)是良的電絕緣體，而碘摻雜后的PPS由于電荷發(fā)生了轉移，電導率得到了顯著地增強。根據(jù)研究結果，電荷的轉移更傾向于是發(fā)生在聚合物分子的鏈與鏈之間，而非沿著聚合物分子鏈;隨著聚合物鏈的延長，碘摻雜后引起的電荷轉移量越多。此外，隨著聚合度的增