（复旦大学理论物理研究中心）

2000年10月10日，瑞典皇家科学院宣布2000年诺贝尔化学奖授予美国加利福尼亚大学的物理学家艾伦 · J · 黑格（Alan J. Heeger）教授、美国宾夕法尼亚大学的化学家艾伦，G · 马克迪尔米德（Alan G. MacDiamid）教授和日本筑波大学的化学家白川英树（Hideki Shirakawa）教授，以表彰他们对导电塑料的发现所做出的杰出贡献。

塑料长期来一直被认为是不导电的绝缘体。电线通常就是用塑料作外套，来防止短路和漏电。黑格、马克迪尔米德和白川的工作改变了我们对塑料的看法。事实上，在某种条件下，塑料可以像金属（如：铁、铜等）一样导电。这一发现导致今天塑料电子学的诞生。当前，计算机和信息科学的主要硬件是无机半导体的超大规模集成芯片。目前，电路的线宽已窄至0. 1微米，接近极限。进一步提高集成度要向分子器件发展，使单个分子具有器件功能。由于有机分子结构具有多样性，而且易于改变，便于制备分子器件。可以推测，伴随分子器件尺寸的减小，计算机的速度和存储将增大108，这相当现在计算机工业40年的发展。在不远的将来，半导体塑料将在更多方面得到广泛的应用，如手机显示、大型平板显示、可折叠：电脑屏幕、太阳能电池等。

导电塑料的发现

塑料，又称聚合物。最简单的聚合物是聚乙炔，它的分子结构如图1所示。聚乙炔是由碳氢原子重复组成的平面分子，它的键角互成120°的夹角，因此存在顺式聚乙炔和反式聚乙炔（图1显示反式聚乙炔结构）两种形式。70年代前期，日本化学家白川英树教授用一种新的方法合成了黑色聚乙炔薄膜。一次，他的学生看错了配方，误加入成千倍催化剂，结果令人大吃一惊，合成了漂亮的银色薄膜。这是全反式聚乙炔薄膜，而同样在另一温度，合成的薄膜是铜色的，这是顺式聚乙炔薄膜。显然，温度和催化剂浓度是很重要的。

图1聚乙炔的结构

此时，在世界的另一边，化学家马克迪尔米德和物理学家黑格正在合作从事无机聚合物（SN）x的金属薄膜研究。在东京的一次访问报告时，马克迪尔米德在会间休息时偶遇白川。当马克迪尔米德知道白川的发现后，马上邀请白川去美国费城的宾夕法尼亚大学。在那里，他们通过加入碘蒸气来改变聚乙炔。白川知道在掺杂后，材料的光学性质发生了改变。马克迪尔米德建议请当时同在该校任教的物理学家黑格来看看合成的薄膜。黑格的一个学生测量了碘掺杂的反式聚乙炔薄膜的电导。哇，电导增加了1000万倍！

1977年夏，黑格、马克迪尔米德、白川及他们的合作者将他们的发现发表在论文“导电有机聚合物的合成：聚乙炔的卤素衍生物”中。这一发现被公认为是一大突破。从此，一个新领域诞生了，并导致许多新的、令人激动的应用。

回顾有机塑料的发现过程，我们可以得到一些启示。首先是科学研究不能怕犯错误，甚至是很愚蠢的错误。既然科学研究的对象是未知世界，有时偶然的错误可能会导致重要的发现，导电塑料就是一例。第二是会间休息（coffee break）的重要性。要是没有会间休息时，马克迪尔米德和白川的邂逅和闲聊，导电塑料的发现可能就要推迟。这其实说明的是信息交流的重要性。第三是跨学科合作的重要性。这一点有许多事实证明，导电塑料的发现提供了一个新的例子，说明科学的发展已使学科越来越模糊。最后是理论和实验结合的重要性。塑料导电的机理有别于一般半导体，它的阐明就是理论物理学家（苏武沛和J. R. Schrieffer）与黑格合作的结果。

塑料如何导电？

在聚合物分子中，存在两类键。一类是局域的σ键，它是构成聚合物分子的骨架。另一类就是非局域的π键，它在聚合物骨架平面上下形成π电子云。有机聚合物的最大特征之一就是存在单（长）双（短）键，这使得π电子相对局城于双键上。因此，这样的聚合物是不导电的。

要使聚合物导电，必须进行掺杂，即在材料中移去电子（加入碘分子）或加入电子（加入金属钠等）。带电的聚乙炔分子将形成‘极化子’，如图2所示。单双键的交换使得极化子在链上可以移动。但单独的正电极化子将因负电碘离子的静电吸引而无法移动，只有当重掺杂时，极化子对变为‘孤子’。这些带电孤子的移动形成聚合物链中及链间的宏观电流。有趣的是，在一般金属中，形成电流的电子既带电荷，又带自旋，是一个磁性粒子。但在聚合物中作为载流子的孤子要么带电荷，要么带自旋，是个电磁分离的粒子。许多实验已经证实这一有趣的事实。

图2带电极化子的形成及移动。（a→b）第五个碳原子移去一个电子，形成一个正电极化子，（c→e）显示极化子在链上的移动。

1985年，孙鑫和我计算了孤子的晶格振动模，发现有三个红外活性局域模，与实验上发现的三个红外吸收峰一致，进一步肯定有机聚合物中的孤子导电理论。

聚合物不掺杂时，它的电导与玻璃、金刚石等一样，是绝缘体。掺杂后，它的电导增加，低的可以像硅、锗是半导体，高的可以像铜、铁是良导体。

1990年，英国剑桥大学的R · 弗兰德（R. Friend）发现在电场中有机聚合物可以发光。这为有机半导体的应用打开了大门。由于有机材料的特点，我们可以很容易地调节半导体的能隙和功函数，提高发光效率，改变光的颜色。现在，用有机材料制造的电致发光、像素显示、信息存储等已经形成产品进入市场。

最新重大进展

今年的7月，在奥地利举行的两年一度的国际合成金属科技大会上，美国贝尔实验室的B · 巴特洛格（B. Batlogg）报告了他们研究组在有机材料研究中取得的轰动性成果。首先他们生长出极为完美的有机分子（五苯、四苯、蒽）晶体，使这些晶体中的电子、空穴迁移率提高五个数量级。迁移率的提高本身就表明晶体中只有极少的杂质可以吸引住电荷；其次他们极具独创性地采用了一个场效应晶体管结构的电荷注入，即在负极注入空穴（正电荷）、在正极注入电子（负电荷），从而获得一系列的重要成果。其中包括：长期来人们一直期待的有机电致激光；电荷注入导致有机材料从绝缘体到金属到超导体相变，得到纯有机超导；有机晶体中首次发现整数和分数量子霍尔效应；塑料太阳能电池等。

可以说，上述研究开辟了有机材料的新时代。首先是这些新结果在光电子学方面的应用价值。例如，有机激光的制造成本远低于一般的半导体激光，而有机分子的多样性使得有机激光的波长可以从红外到紫外。几十年来，科学家们一直致力于有机聚合物的光电子器件研究，并已经研究出光发射二极管和快速光开关。现在，四苯激光的发现意味着对有机聚合物的现实期待，因为经验表明聚合物总是可以做得与小分子表现一样。其次，在物理上这些新结果也提出一些亟待解决的问题。如：五苯、四苯和蒽（三苯）结构极为相似，为什么四苯可以产生有机激光，而五苯和蒽却不能？纯有机超导的机制很可能就是电一声作用，但是否真的如此？不管纯有机超导的机制是什么，首先必须解释相变温度（五苯、四苯和葸的Tc分别是2. 0 K，2. 7 K和4. 0 K）为何随分子尺寸增大而上升？如何生长出完美的聚合物晶体？怎样的聚合物可能会产生激光、可能超导？等等。

有机塑料从发现到最近的一系列重大进展表明，又一个新的科技新时代——塑料电子学时代即将到来。