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   碳基导电材料

   碳基材料中,除了具有共轭结构的聚合物和小分子具有导电性外,纯粹由碳原子组成的石墨、富勒烯碳纳米管和石墨烯等也具有导电性。作为一种导电活性材料,碳原子的电子结构的确比较独特,有很高的灵活性。例如,由纯粹碳原子组成的金刚石,由于碳原子以sp3杂化,结构中没有可以离域的共轭电子,是不导电的绝缘体。而其他含有叩2杂化轨道的纯粹碳基材料中,相邻原子之间通过杂化轨道形成非常稳定的σ键,而垂直于σ键的未杂化pz轨道通过肩并肩重叠形成共轭冗结构,产生离域电子,使材料表现出导电性。

    与其他的IⅤ主族元素不同α口硅、锗),碳原子除了2个球形的1s电子外,不再含有任何非活性电子,使得最外层的s与p轨道的杂化非常有效, 可以存在不同的杂化形式,如sp3、sp2、sp。而在其他较大的同族元素中,例如,硅(1s22s2即63s2sp2),外层电子(3s23p勹的杂化效率因受内层电子(2s22p6)的干扰和影响,活性降低,使得它们可形成有机材料的种类受到极大限制。

     图2.91是纯粹碳原子构成的具有导电性的材料,包括石墨佗raphite)、富勒烯(fullerene)、碳纳米管(carbon nanotube)和石墨烯锪raphene)等。由sp2碳原子组成的石墨呈现层状结构,纯石墨中层与层之间的距离大约为0,335nm,当添加了各种其他原子时,距离可以增大。石墨分子的平面内主要是sp2杂化的碳原子构成的单双交替的网状结构,层与层之间则靠离域冗电子之间的微弱相互作用力结合。电子在层内和层间的离域,导致石墨具有较好的导电性。