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微/纳米结构的导电聚合物及碳材料由于在分子器件和纳米电子器件等领域具有潜在的应用前景,备受人们的广泛关注,成为纳米科学和纳米技术的研究热点之一。以前的实验结果绝大部分是利用压片或者薄膜样品进行测量,由于样品内部管与管之间的接触电阻很大,掩盖了材料本身的特性。因此,本文利用微加工技术,直接测量了“模板法”合成的单根导电聚合物纳米线,催化热解法合成的双螺旋碳纤维,以及“无模板”法合成的导电聚合物纳米管及其功能复合物材料的低温物性,得到了一些与大块样品不同的结果,进一步揭示聚合物的导电机制及其与微观结构的关系。取得的主要结果如下:
(1)超细聚苯胺纳米管(直径~10 nm)压片样品表现出半导体性,其导电机制从高温到低温出现两个转变:热激活到三维Mott变程跳跃;三维Mott变程跳跃到Efros-Shklovskii(ES)变程跳跃,同时随着温度降低,磁阻在100 K由负变正,并且在100-250 K温区内负磁阻与磁场表现出不同的温度依赖关系。
(2) PANI-Fe(OH)和PPy-Fe(OH)复合样品随着Fe(OH)(Fe(OH):经羟基修饰的铁颗粒)磁性微球含量的增多,室温电导率均出现先增加后减小的现象。室温下,PANI-Fe(OH)和PPy-Fe(OH)复合物均表现出超顺磁性,饱和磁化强度和电导率类似,也观察到了最大值现象。
(3)利用聚焦离子束技术在单根电化学模板法制备的聚吡咯纳米线上沉积电极,并测量了它的低温物性,电阻率、约化激活能和温度的依赖关系均显示满足一维Mott变程跳跃模型。此外,笔者还在同一根纳米线上沉积多个电极,四电极法测量结果显示:即使在同一根纳米线上,不同部位的电导率差别很大。
(4)利用标准四电极法测量了一系列直径不同的PEDOT纳米线的电阻率-温度关系,结果发现室温300 K时,随着直径的减小,电导率迅速增加;电阻率的比值pr随着直径由粗到细变化先减小后增加,在直径为35 nm时达到最小值;此外还发现不同直径的样品处于不同的导电区域并满足不同的导电模型。
(5)单根双螺旋碳纤维的电阻率-温度关系在13 K以上满足Mott变程跳跃模型,在13 K以下满足ES变程跳跃模型,笔者认为这是由于低温下电子—电子相互作用加强的结果,并在I-V曲线上得到了证实。此外,在低温下样品表现出明显的正磁阻效应,并且磁阻的大小与H2成正比。