導電高分子材料與應用
授課教師:楊偉達 博士
任職單位:
a、 工業技術研究院 材料與化工研究所
b、 電子材料及元件研究組
c、 高寬頻先進構裝材料研究室 主任
上課時間:100.11.24(9:20-12:10)
能帶理論(band theory) 電子導體能夠傳遞電流的主因,在於物質中的自由電子之遷徙,使之具有導電性質。
導電塑膠的導電原理 主鏈具有一連串共軛結構(單鍵、雙鍵相互交錯、重覆排列的結構)
導電塑膠的導電原理 主鏈具有一連串共軛結構(單鍵、雙鍵相互交錯、重覆排列的結構)
金屬中的離子與自由電子示意圖
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奈米(nanometer,nm)是一種長度單位,其中奈(nano)代表10-9,米(meter)則是公尺 1nm = 10-9 m •性質:與傳統塊材差異甚大。例如金的正常熔點為1063℃,但2nm金微粒的熔點則低於400℃ •奈米材料粒徑越小表面原子的數目就越多,使得奈米材料比塊材具有更高的化學反應性
奈米是什麼?
「奈米」是英文 nanometer 的譯名,還有一種說法是源自拉丁文「NANO」,意思是「矮小」。奈米是一種長度單位,數學符號為nm;一奈米為百萬分之一公釐,也就是十億分之一公尺(10-9米),相當於4個原子的直徑,是10個氫原子並排起來的長度。 由奈米材料組成的物質,是看不到、摸不著的微細物質,如果用實物來比較:人的頭髮一般直徑為 20至50 微米,約2萬至5萬奈米長;一個典型的病毒大約有100奈米長。
何謂奈米科技奈米科技 ─ 是指對於尺寸介於1nm ~ 100nm之間的物質的物性研究(奈米科學)、及對於該物質材料的製造、量測、操縱、組裝的技術(奈米技術)。
奈米的應用
奈米銅材─銅是「良導體」,奈米銅是「絕緣體」奈米瓷材─瓷器是「易碎品」,奈米瓷器材料「在室溫下可任意彎曲」 奈米光碟─容量為普通光碟容量的「100萬倍」 顯示器─奈米顯示器「薄如紙片」,耗電量極低,可捲曲攜帶
奈米銅材─銅是「良導體」,奈米銅是「絕緣體」奈米瓷材─瓷器是「易碎品」,奈米瓷器材料「在室溫下可任意彎曲」 奈米光碟─容量為普通光碟容量的「100萬倍」 顯示器─奈米顯示器「薄如紙片」,耗電量極低,可捲曲攜帶
奈米碳管
結構:由石墨捲曲而成的中空管狀結構,是一維奈米材料。
特性:質量輕,優異彈性、機械強度、熱傳導性、化學穩定性與吸附氣體能力等特性
應用:可應用於顯示器、化學感測器、奈米溫度計、燃料電池的儲氫材料、高強度複合材料等
特性:質量輕,優異彈性、機械強度、熱傳導性、化學穩定性與吸附氣體能力等特性
應用:可應用於顯示器、化學感測器、奈米溫度計、燃料電池的儲氫材料、高強度複合材料等
奈米碳管的電學特性
不同類型的奈米碳管其導電性能也不相同 •單臂奈米管具有金屬的導電性。
1/3 鋸齒形的 CNT 具有金屬性質
2/3 對掌形的 CNT 具有半導體的性質。
半導體性奈米碳管隨著直徑的增加而帶隙 (BandGap)變窄,在大直徑情況下帶隙為零,呈現金屬的性質
由於奈米碳管內流動的電子受到量子限域所致,電子在奈米碳管中通常只能在同一層石墨片中沿著奈米碳管的軸向運動,沿徑向的運動將受到很大限制。
不同類型的奈米碳管其導電性能也不相同 •單臂奈米管具有金屬的導電性。
1/3 鋸齒形的 CNT 具有金屬性質
2/3 對掌形的 CNT 具有半導體的性質。
半導體性奈米碳管隨著直徑的增加而帶隙 (BandGap)變窄,在大直徑情況下帶隙為零,呈現金屬的性質
由於奈米碳管內流動的電子受到量子限域所致,電子在奈米碳管中通常只能在同一層石墨片中沿著奈米碳管的軸向運動,沿徑向的運動將受到很大限制。
奈米碳管的製備
電弧電漿法(Arc discharge )
金屬催化熱裂解法(Catalytic decomposition of carbon monoxide or hydrocarbons)
雷射激發法(Laser Ablation
化學蒸鍍法(Chemical vapor deposition)
電弧電漿法(Arc discharge )
金屬催化熱裂解法(Catalytic decomposition of carbon monoxide or hydrocarbons)
雷射激發法(Laser Ablation
化學蒸鍍法(Chemical vapor deposition)
特性會影響產品的發展.
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人因夢想而偉大
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導電及抗靜電材料紡織品應用
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四大類導電纖維 金屬導電纖維:主要導電成分有銀、銅、鎳、鋁、不鏽鋼等,其製造方法或是採用直接噴
鍍法或化學鍍法,將金屬鍍在纖維表面而製成導電纖維;或是將金屬拉成
金屬纖維,如不鏽鋼纖維。
炭黑導電纖維:可以將炭黑與高聚物混合後紡絲;或在纖維表面塗上炭黑;或與高聚物製
成皮芯結構;或由丙烯啨纖維、瀝青系纖維炭化處理制得。
導電高分子型纖維:將導電高分子材料(如聚苯胺、聚吡咯、聚噻吩等)直接紡絲或通過
化學反應使導電高分子吸附沈積於高聚物表面。
金屬化合物型導電纖維:將是有良好導電性的金屬化合物(如硫化銅、硫化亞銅、碘化亞
銅等)與成纖的高聚物混合紡絲或通過吸附法及浸漬化學反應使
金屬化合物覆蓋於纖維表面。
這些導電纖維可以通過與普通纖維混紡而織製成抗靜電織物或導電織物,也可與普通紗交織製成抗靜電織物或導電織物。這種織物廣泛用於無塵、抗靜電、防爆工作服及工業用材料;在半導體、精密儀器、生物醫學領域有著廣泛的市場。這?有些導電纖維除具有抗靜電導電功能外,還同時具有防微波或抗菌防臭功能。
這次的導電高分子課程讓我想起我之前書報討論課有翻過關於導電高分子,上起來的感覺是我那時候書報裡不懂的經過這次的課,楊博士細心的解答之後讓我有了更伸一步的了解,導電高分子的原理,所有的導電高分子都屬於所謂的”共軛高分子”。 共軛高分子最簡單的例子是聚乙炔。它由長鏈的碳分子以sp2鍵鏈結而成(見圖)。由於sp2鍵結的特性,使得每一個碳原子有一個價電子未配對,且在垂直於sp2面上形成未配對鍵。我們可以想像,相鄰原子的未配對鍵的電子雲互相接觸,會使得未配對電子很容易沿著長鏈移動。然而,實際的情況較為複雜,未配對電子很容易和鄰居配對而形成”單鍵-雙鍵”交替出現的結構。這種轉變稱為配對化(dimerization),物理上稱為派若斯(Peirels)不穩定性。為了使共軛高分子導電,必須要做參雜。這和半導體經過參雜後可以經由荷電載子提高導電度類似。發現導電高分子的故事是蠻具戲劇性的。在七零年代初,日本化學家白川英樹找到一個合成聚乙炔的新方法。有一次由於疏忽,多加了一千倍的催化劑,令他驚訝的是,這因此形成一個漂亮的銀色薄膜。這薄膜是純度很高的順式聚乙炔。同時,化學家笛米德(A.G. McDiarmid)和物理學家希格(A.Heeger)正在研究有金屬光澤的無機高分子硫化氮(SN)x。笛米德在一次東京的研討會裡提到這項研究,後來白川和笛米德有機會碰面討論,當笛米德聽到白川發現了具銀色光澤的有機高分子,就邀請他到賓大訪問。白川以及來自台灣的博士後研究員姜傳康藉著加碘蒸氣改變聚乙炔的性質,令他們驚訝的是,順式聚乙炔的導電度因此增加了一百萬倍。第一個導電高分子就此誕生!