Konduktiv polymer

Den här artikeln handlar om bulkapplikationer av ledande polymerer. För elektronik med en molekyl, se elektronik i molekylär skala .
Kemiska strukturer hos vissa ledande polymerer. Uppifrån vänster medurs: polyacetylen ; polyfenylen vinylen ; polypyrrol (X = NH) och polytiofen (X = S); och polyanilin (X = NH) och polyfenylensulfid (X = S).

Konduktiva polymerer eller, mer exakt, intrinsically conducting polymers (ICP) är organiska polymerer som leder elektricitet . Sådana föreningar kan ha metallisk ledningsförmåga eller kan vara halvledare . Den största fördelen med ledande polymerer är deras bearbetbarhet, främst genom dispersion . Konduktiva polymerer är i allmänhet inte termoplaster , dvs de är inte termoformbara. Men liksom isolerande polymerer är de organiska material. De kan erbjuda hög elektrisk ledningsförmåga men uppvisar inte liknande mekaniska egenskaper som andra kommersiellt tillgängliga polymerer. De elektriska egenskaperna kan finjusteras med hjälp av metoderna för organisk syntes och med avancerade dispersionstekniker.

Historia

Polyanilin beskrevs först i mitten av 1800-talet av Henry Letheby , som undersökte de elektrokemiska och kemiska oxidationsprodukterna av anilin i sura medier. Han noterade att reducerad form var färglös men de oxiderade formerna var djupblå.

De första högledande organiska föreningarna var laddningsöverföringskomplexen . På 1950-talet rapporterade forskare att polycykliska aromatiska föreningar bildade halvledande laddningsöverföringskomplexsalter med halogener. 1954 rapporterade forskare vid Bell Labs och på andra ställen organiska laddningsöverföringskomplex med resistiviteter så låga som 8 ohm-cm. I början av 1970-talet visade forskare att salter av tetratiafulvalen uppvisar nästan metallisk ledningsförmåga, medan supraledning påvisades 1980. Bred forskning om laddningsöverföringssalter fortsätter idag. Även om dessa föreningar tekniskt sett inte var polymerer, indikerade detta att organiska föreningar kan bära ström. Medan organiska ledare tidigare diskuterades intermittent, var fältet särskilt strömsatt av förutsägelsen av supraledning efter upptäckten av BCS-teorin .

1963 rapporterade australiensarna BA Bolto, DE Weiss och medarbetare derivat av polypyrrol med resistiviteter så låga som 1 ohm·cm. Refs. och citerar flera rapporter om liknande oxiderade polyacetylener med hög ledningsförmåga. Med det anmärkningsvärda undantaget av laddningsöverföringskomplex (av vilka några till och med är supraledare ) ansågs organiska molekyler tidigare vara isolatorer eller i bästa fall svagt ledande halvledare . Därefter rapporterade DeSurville och medarbetare hög konduktivitet i en polyanilin. På samma sätt rapporterade Diaz och Logan 1980 filmer av polyanilin som kan fungera som elektroder.

Medan de mestadels fungerar i kvantvärlden på mindre än 100 nanometer, kan "molekylära" elektroniska processer kollektivt manifestera sig på en makroskala. Exempel inkluderar kvanttunnelering , negativt motstånd , fononassisterad hoppning och polaroner . År 1977 Alan J. Heeger , Alan MacDiarmid och Hideki Shirakawa liknande hög konduktivitet i oxiderad joddopad polyacetylen. För denna forskning tilldelades de 2000 års Nobelpris i kemi "för upptäckten och utvecklingen av ledande polymerer." Polyacetylen i sig hittade inga praktiska tillämpningar, men uppmärksammade forskare och uppmuntrade fältets snabba tillväxt. Sedan slutet av 1980-talet organiska ljusemitterande dioder (OLED) dykt upp som en viktig tillämpning av ledande polymerer.

Typer

Linjära "polymersvarta" ( polyacetylen , polypyrrol , polyindol och polyanilin ) ​​och deras sampolymerer är huvudklassen av ledande polymerer. Poly(p-fenylenvinylen) (PPV) och dess lösliga derivat har dykt upp som de prototypiska elektroluminescerande halvledande polymererna. Idag är poly(3-alkyltiofener) de arketypiska materialen för solceller och transistorer.

Följande tabell visar några organiska ledande polymerer enligt deras sammansättning. De väl studerade klasserna är skrivna i fetstil och de mindre välstuderade är i kursiv stil .

Huvudkedjan innehåller Ingen heteroatom Heteroatomer närvarande
Kväveinnehållande Svavelhaltig _
Aromatiska cykler N är i den aromatiska cykeln:

N är utanför den aromatiska cykeln:

 S är i den aromatiska cykeln:

S är utanför den aromatiska cykeln:
Dubbelbindningar
Aromatiska cykler och dubbelbindningar

Syntes

Konduktiva polymerer framställs med många metoder. De flesta ledande polymerer framställs genom oxidativ koppling av monocykliska prekursorer. Sådana reaktioner innebär dehydrering :

n H–[X]–H → H–[X] n –H + 2(n–1) H + + 2(n–1) e −

Den låga lösligheten för de flesta polymerer innebär utmaningar. Vissa forskare lägger till solubiliserande funktionella grupper till några eller alla monomerer för att öka lösligheten. Andra adresserar detta genom bildandet av nanostrukturer och ytaktivt stabiliserade ledande polymerdispersioner i vatten. Dessa inkluderar polyanilin nanofibrer och PEDOT : PSS . I många fall är molekylvikterna för ledande polymerer lägre än konventionella polymerer såsom polyeten. I vissa fall behöver dock molekylvikten inte vara hög för att uppnå de önskade egenskaperna.

Det finns två huvudsakliga metoder som används för att syntetisera ledande polymerer, kemisk syntes och elektro(sam)polymerisation. Den kemiska syntesen innebär att man kopplar samman kol-kolbindning av monomerer genom att placera de enkla monomererna under olika förhållanden, såsom uppvärmning, pressning, ljusexponering och katalysator. Fördelen är hög avkastning. Det finns dock många föroreningar som är rimliga i slutprodukten. Elektro(sam)polymerisationen innebär att man sätter in tre elektroder (referenselektrod, motelektrod och arbetselektrod) i lösning inklusive reaktorer eller monomerer. Genom att applicera spänning på elektroder främjas redoxreaktion för att syntetisera polymer. Elektro(sam)polymerisation kan också delas in i cyklisk voltammetri och potentiostatisk metod genom att applicera cyklisk spänning och konstant spänning. Fördelen med elektro(sam)polymerisation är produkternas höga renhet. Men metoden kan bara syntetisera ett fåtal produkter åt gången.

Molekylär grund för elektrisk konduktivitet

Konduktiviteten hos sådana polymerer är resultatet av flera processer. Till exempel, i traditionella polymerer såsom polyetener , är valenselektronerna bundna i sp 3 hybridiserade kovalenta bindningar . Sådana "sigma-bindande elektroner" har låg rörlighet och bidrar inte till materialets elektriska ledningsförmåga. Men i konjugerade material är situationen helt annorlunda. Ledande polymerer har ryggrad av sammanhängande sp 2 hybridiserade kolcentra. En valenselektron på varje centrum finns i ap z orbital, som är ortogonal mot de andra tre sigma-bindningarna. Alla p z orbitaler kombineras med varandra till en molekyl bred delokaliserad uppsättning orbitaler. Elektronerna i dessa delokaliserade orbitaler har hög rörlighet när materialet "dopas" genom oxidation, vilket tar bort några av dessa delokaliserade elektroner. Således bildar de konjugerade p-orbitaler ett endimensionellt elektroniskt band , och elektronerna inom detta band blir rörliga när det töms delvis. Bandstrukturerna för ledande polymerer kan enkelt beräknas med en tät bindningsmodell . I princip kan samma material dopas genom reduktion, vilket tillför elektroner till ett annars ofyllt band. I praktiken dopas de flesta organiska ledare oxidativt för att ge material av p-typ. Redoxdopningen av organiska ledare är analog med dopningen av kiselhalvledare, varvid en liten del av kiselatomerna ersätts med elektronrika, t.ex. fosfor , eller elektronfattiga, t.ex. bor , atomer för att skapa n-typ och p -typ halvledare , respektive.

Även om typiskt "dopande" ledande polymerer involverar oxidering eller reducering av materialet, kan ledande organiska polymerer associerade med ett protiskt lösningsmedel också vara "självdopade".

Odopade konjugerade polymerer är halvledare eller isolatorer. I sådana föreningar kan energigapet vara > 2 eV, vilket är för stort för termiskt aktiverad ledning. Därför har odopade konjugerade polymerer, såsom polytiofener, polyacetylener endast en låg elektrisk ledningsförmåga på cirka 10 −10 till 10 −8 S /cm. Även vid en mycket låg dopningsnivå (< 1%) ökar den elektriska ledningsförmågan flera storleksordningar upp till värden kring 0,1 S/cm. Efterföljande dopning av de ledande polymererna kommer att resultera i en mättnad av konduktiviteten vid värden runt 0,1–10 kS/cm (10–100 S/m) för olika polymerer. De högsta värdena som hittills rapporterats är för ledningsförmågan hos sträckorienterad polyacetylen med bekräftade värden på cirka 80 kS/cm (8 MS/m). Även om pi-elektronerna i polyacetylen är delokaliserade längs kedjan, är ren polyacetylen inte en metall. Polyacetylen har alternerande enkel- och dubbelbindningar som har längder på 1,44 respektive 1,36 Å. Vid dopning minskar bindningsförändringen i konduktivitetsökningar. Icke-dopande ökningar i konduktivitet kan också åstadkommas i en fälteffekttransistor (organisk FET eller OFET ) och genom bestrålning . Vissa material uppvisar också negativt differentialmotstånd och spänningsstyrd "switching" analogt med det som ses i oorganiska amorfa halvledare.

Trots intensiv forskning är sambandet mellan morfologi, kedjestruktur och konduktivitet fortfarande dåligt förstådd. Generellt antas det att konduktiviteten bör vara högre för den högre graden av kristallinitet och bättre inriktning av kedjorna, men detta kunde inte bekräftas för polyanilin och bekräftades först nyligen för PEDOT , som till stor del är amorfa.

Egenskaper och applikationer

Konduktiva polymerer visar lovande i antistatiska material och de har införlivats i kommersiella displayer och batterier. Litteraturen tyder på att de också är lovande inom organiska solceller , tryckta elektroniska kretsar , organiska lysdioder , ställdon , elektrokromism , superkondensatorer , kemiska sensorer , kemiska sensorer och biosensorer , flexibla transparenta displayer, elektromagnetisk skärmning och möjligen transparent ersättning för den populära ledare indium tennoxid . En annan användning är för mikrovågsabsorberande beläggningar, särskilt radarabsorberande beläggningar på stealth-flygplan . Ledande polymerer vinner snabbt attraktion i nya applikationer med allt mer bearbetningsbara material med bättre elektriska och fysikaliska egenskaper och lägre kostnader. Speciellt de nya nanostrukturerade formerna av ledande polymerer förstärker detta område med sin högre yta och bättre spridningsförmåga. Forskningsrapporter visade att nanostrukturerade ledande polymerer i form av nanofibrer och nanosvampar visade signifikant förbättrade kapacitansvärden jämfört med deras icke-nanostrukturerade motsvarigheter.

Med tillgången till stabila och reproducerbara dispersioner har PEDOT och polyanilin fått några storskaliga tillämpningar. Medan PEDOT ( poly(3,4-etylendioxitiofen) huvudsakligen används i antistatiska tillämpningar och som ett transparent ledande skikt i form av PEDOT:PSS-dispersioner (PSS= polystyrensulfonsyra ), används polyanilin i stor utsträckning för tillverkning av kretskort – i den slutliga finishen, för att skydda koppar från korrosion och förhindra dess lödbarhet. Dessutom börjar polyindol också få uppmärksamhet för olika tillämpningar på grund av dess höga redoxaktivitet, termiska stabilitet och långsamma nedbrytningsegenskaper än konkurrenternas polyanilin och polypyrrol.

Elektroluminescens

Elektroluminescens är ljusemission som stimuleras av elektrisk ström. I organiska föreningar har elektroluminescens varit känd sedan tidigt 1950-tal, när Bernanose och medarbetare först producerade elektroluminescens i kristallina tunna filmer av akridin orange och kinakrin. 1960 utvecklade forskare vid Dow Chemical AC-drivna elektroluminescerande celler med hjälp av dopning. I vissa fall observeras liknande ljusemission när en spänning appliceras på ett tunt lager av en ledande organisk polymerfilm. Medan elektroluminescens ursprungligen mestadels var av akademiskt intresse, betyder den ökade konduktiviteten hos moderna ledande polymerer att tillräckligt med ström kan föras genom enheten vid låga spänningar för att generera praktiska mängder ljus. Denna egenskap har lett till utvecklingen av platta bildskärmar som använder organiska lysdioder , solpaneler och optiska förstärkare .

Hinder för applikationer

Eftersom de flesta ledande polymerer kräver oxidativ dopning, är egenskaperna hos det resulterande tillståndet avgörande. Sådana material är saltliknande (polymersalt), vilket minskar deras löslighet i organiska lösningsmedel och vatten och därmed deras bearbetbarhet. Dessutom är den laddade organiska ryggraden ofta instabil mot luftfuktighet. Den dåliga bearbetbarheten för många polymerer kräver införande av solubilisering eller substituenter, vilket ytterligare kan komplicera syntesen.

Experimentella och teoretiska termodynamiska bevis tyder på att ledande polymerer till och med kan vara helt och huvudsakligen olösliga så att de endast kan bearbetas genom dispersion .

Trender

Senaste tonvikten ligger på organiska lysdioder och organiska polymersolceller . Organic Electronics Association är en internationell plattform för att främja tillämpningar av organiska halvledare . Konduktiva polymerprodukter med inbäddad och förbättrad elektromagnetisk störning (EMI) och skydd mot elektrostatisk urladdning (ESD) har lett till både prototyper och produkter. Till exempel utvecklar Polymer Electronics Research Center vid University of Auckland en rad nya DNA-sensorteknologier baserade på ledande polymerer, fotoluminescerande polymerer och oorganiska nanokristaller (kvantprickar) för enkel, snabb och känslig gendetektion. Typiska ledande polymerer måste "dopas" för att ge hög konduktivitet. Från och med 2001 återstår det att upptäcka en organisk polymer som i sig är elektriskt ledande. Nyligen (från 2020) rapporterade forskare från IMDEA Nanoscience Institute experimentell demonstration av den rationella konstruktionen av 1D-polymerer som är belägna nära kvantfasövergången från den topologiskt triviala till icke-triviala klassen, vilket har ett smalt bandgap.

Se även

Vidare läsning

externa länkar

Hämtad från " https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Conductive_polymer&oldid=1139948896 "