导电聚苯胺微纤维的合成及磁阻效应研究

摘要

当材料尺度持续降低，材料按维度可分为零维、一维和二维材料。由于尺度进入纳米级，材料就会表现出与块体材料不同的性能，而随着有机电子学的发展，低维导电聚合物以其优异电学、光学、磁学等的物理化学特性在光电器件、传感器、显示器、存储设备、可穿戴设备等领域有着广泛的应用前景。其中，一维材料由于其独特的结构特性，在使器件柔性化的方向有着重要推动作用，而一维有机导电聚合物由于其独特的掺杂机制、容易合成和本身具有柔性特性等特点使其在有机柔性器件领域扮演重要角色。 在一维导电聚合物结构的众多性质里，有机磁阻效应是非常值得关注的一点，这能够推动其在磁存储器、磁传感器等领域的实际应用。近年来研究表明，导电聚合物的纳米结构形貌对其性质有很大的影响，磁性能也是：目前,一维有机纤维中的磁阻现象只能在基于一维纤维形成的二维结构中被发现，而在单纯的一维结构并没有发现，合理解释在单纯一维纤维中观测不到有机磁阻现象的原因是推动一维材料发展所必须解决的科学问题。 本论文中，通过合理设计一维有机导电聚合物的化学合成方法来控制其结构形貌，采用自组装的方法诱导合成了结构规整的螺旋聚苯胺微米纤维，通过扫描电镜、吸收光谱对合成的聚苯胺微纤维进行了结构表征，重点研究了聚苯胺微纤维的电荷输运机制和磁阻性质。主要内容如下： 1. 首先在有机相中通过樟脑磺酸诱导合成聚苯胺分子，通过一次性加入氧化剂的方法调节聚苯胺分子的状态，随后加入不良溶剂得到聚苯胺微纤维结构。通过合理控制良溶剂与不良溶剂的比例，发现当良溶剂比例达到35%时可得到形貌规则、长度大于20 μm的螺旋聚苯胺微纤维。经紫外-可见近红外吸收光谱表征显示聚苯胺微纤维的掺杂度为65%。 2. 通过分析不同的测试方法，实验对比了蒸镀电极的方法和两端点银胶的方法，最终选用了最为合适的两端点银胶的方法来制备测试器件。在采用自组装方法制备出的单根聚苯胺微纤中发现了明显的磁阻效应。首先，电流-电压特性分析表明单根聚苯胺微纤维中的电荷输运模型具有典型的偏压依赖特性，偏压依赖的转移特性是因为聚苯胺链中相邻“金属岛”之间的耦合作用。然后，磁阻分析观察到了正负磁阻效应，并且在50 K 时发现了明显的磁阻效应(>1%)，性能高于之前的研究结果。在高温90 K下观察到正负磁阻的转变，并且磁阻效应具有明显的偏压依赖特性，这是电子波函数收缩效应、量子退相干效应和局域态耦合效应的组合或竞争的结果。综合研究表明，相比于由一维聚苯胺微纤维组成的二维结构，单根聚苯胺纤维中能够提供电荷跳跃的自由网络是产生有机磁阻的必要条件。

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