掺杂对聚合物导电性的影响的理论研究

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本工作运用密度泛函方法研究近三十年来备受关注的有机导电聚合物的掺杂问题,分别计算了不同掺杂浓度下、碱金属盐掺杂的聚苯甲亚胺(聚苯胺的衍生物)和碘掺杂的聚苯硫醚的几何结构和电子性质,通过对它们的单体、低聚物和相应聚合物的结构的计算,详细地分析了掺杂剂对导电高分子材料的导电性能的影响。主要研究内容如下:第一节,我们介绍了有机导电聚合物材料的研究现状、导电机理、应用以及设计等。有机导电高分子材料由于其良好的导电性能、特殊的光学性质和潜在的应用前景,有关方面的研究已经成为新型有机功能材料领域的明星课题。此外,我们还介绍了本文工作的研究内容及研究意义。第二节,我们详细地介绍了本研究工作采用的计算方法,即密度泛函理论(DFT),同时还列出了若干重要的理论分析方法,主要包括分子中的原子(AIM)理论,自然成键轨道(NBO)分析,以及含时密度泛函理论(TD-DFT)。第三节,我们运用密度泛函方法,在B3LYP/6-31G(d)水平下,计算了不同掺杂浓度下,不同碱金属盐(KCl、NaCl、LiCl)掺杂的低聚苯甲亚胺的结构和电子性质。在优化的结构基础上,我们在相同理论水平下,计算了它们对应的周期聚合物的结构和电子性质,并进行了电子密度拓扑分析、自然键轨道分析、局域态密度分析等。分析结果表明掺杂剂的引入使聚合物分子链上发生了电荷转移,从而使得聚苯甲亚胺的导电性显著增强,由本征态的绝缘体变为掺杂态的半导体。在同一种掺杂剂下,随着掺杂浓度的增加,聚合物的导电性随之增强,而不同掺杂剂时,碱金属的碱性越强,引起的电荷转移量越多,即KCl作为掺杂剂时所引起的聚合物分子链电子性质的变化最显著。因此,掺杂剂的引入是一种增强有机导电高分子材料导电性的重要方法,而我们研究的KCl掺杂聚苯甲亚胺,在合适的掺杂浓度下,是一种潜在的导电高分子材料。第四节,采用密度泛函理论的B3LYP方法,对I2采用赝势基组LANL2DZ,而对其余非金属原子采用6-31g*基组进行计算,我们研究了碘掺杂的聚苯硫醚(PPS)的结构和电子性质。主要从电子差分密度、Mulliken电荷分布、轨道组成分析、垂直吸收光谱分析、局域态密度等方面深入研究了掺杂态的聚苯硫醚的结构和电子性质。由于聚苯硫醚的氧化电势很高(6.3eV),因而它在本征态是良的电绝缘体,而碘掺杂后的PPS由于电荷发生了转移,电导率得到了显著地增强。根据研究结果,电荷的转移更倾向于是发生在聚合物分子的链与链之间,而非沿着聚合物分子链;随着聚合物链的延长,碘掺杂后引起的电荷转移量越多。此外,随着聚合度的增加,聚合物分子的结构变化越小,结构越规整,这种良好的结构规整性更使链间的电荷转移容易发生。碘掺杂的聚苯硫醚的带隙很小(为1.278eV),是一种良好的有机高分子导电材料。
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