البوليمرات الموصلة والنشطة كهربائيًا
تحمل البوليمرات الموصلة والنشطة كهربائيًا شحنة كهربائية أو تستجيب كهربائيًا بسبب هيكل مترافق، والذي يصبح عند تطعيمه شبه موصل أو شبه معدن، محولًا البلاستيك إلى مواد إلكترونية نشطة.
Definition
البوليمرات الموصلة والنشطة كهربائيًا هي جزيئات عضوية كبيرة تتكون من هياكل مترافقة، وبعد التطعيم، توصل الشحنة الكهربائية أو تخضع لتغيرات أكسدة-اختزال وبصرية قابلة للعكس، مما يمنحها سلوكًا كهربائيًا يتراوح من شبه موصل إلى معدني.
Scope
يغطي هذا الموضوع البوليمرات الموصلة جوهريًا مثل البولي أسيتيلين، البولي بيرول، البولي ثيوفين، البولي أنيلين، و PEDOT: دور ترافق الهيكل، آلية وكيمياء التطعيم، حاملات الشحنة بما في ذلك البولارونات والبولارونات الثنائية، والسلوك الإلكتروني والبصري والكيميائي الكهربائي الناتج الذي يُستغل في الأجهزة.
Core questions
- لماذا يسمح ترافق الهيكل الأساسي للشحنة بالتحرك على طول سلسلة البوليمر؟
- كيف يحول التطعيم بوليمرًا مترافقًا عازلًا إلى موصل؟
- ما هي البولارونات والبولارونات الثنائية وكيف تحمل الشحنة؟
- كيف تُستخدم هذه البوليمرات في الأجهزة الإلكترونية والكيميائية الكهربائية؟
Key theories
- الترافق وتكوين النطاقات
- تؤدي الروابط الأحادية والمزدوجة المتناوبة على طول الهيكل إلى إزالة تمركز إلكترونات باي في حالات ممتدة تشبه نطاقات التكافؤ والتوصيل، مما يوفر البنية الإلكترونية التي تدعم التوصيل بمجرد إضافة حاملات الشحنة.
- التطعيم وحاملات الشحنة
- يؤدي التطعيم المؤكسد أو المختزل إلى إزالة أو إضافة إلكترونات، مما يخلق عيوبًا مشحونة ومتحركة (بولارونات وبولارونات ثنائية) على السلسلة ويرفع الموصلية بعدة مراتب من حيث الحجم، وهي عملية غالبًا ما تكون قابلة للعكس كهروكيميائيًا.
Mechanisms
في البوليمر المترافق، يؤدي تداخل المدارات p على طول الهيكل إلى إزالة تمركز الإلكترونات، لكن السلسلة المحايدة تحتوي على نطاق ممتلئ وتتصرف كعازل أو شبه موصل. يؤدي التطعيم عن طريق الأكسدة الكيميائية أو الاختزال، أو عن طريق الشحن الكهروكيميائي، إلى إدخال حاملات الشحنة في شكل بولارونات وبولارونات ثنائية—وهي تشوهات مشحونة موضعية تتحرك على طول السلاسل وفيما بينها. تتغير الموصلية والامتصاص البصري ولون المادة بشكل عكسي مع مستوى التطعيم، وهو أساس السلوك النشط كهربائيًا. يحد النقل الكلي للشحنة من القفز بين السلاسل، لذا تؤثر المورفولوجيا والترتيب بشكل كبير على الأداء.
Clinical relevance
تُمكّن البوليمرات الموصلة والنشطة كهربائيًا الإلكترونيات العضوية وأجهزة الطاقة: تُستخدم أغشية PEDOT كأقطاب كهربائية شفافة وطلاءات مضادة للكهرباء الساكنة، وتعمل البوليمرات المترافقة كطبقة نشطة في الثنائيات الباعثة للضوء العضوية، والترانزستورات، والخلايا الشمسية، وتُستخدم البوليمرات النشطة أكسدة-اختزال في أجهزة الاستشعار، والنوافذ الكهروكرومية، والمكثفات الفائقة، وأقطاب البطاريات.
History
اكتشف هيغر وماكديارميد وشيراكاوا في عام 1977 أن تطعيم البولي أسيتيلين رفع موصليته بعدة مراتب من حيث الحجم، مما أرسى البوليمرات المترافقة كمواد إلكترونية وحصلوا على جائزة نوبل في الكيمياء عام 2000؛ أنتجت العقود اللاحقة موصلات قابلة للمعالجة ومستقرة مثل البولي أنيلين و PEDOT التي نقلت المجال إلى الأجهزة التجارية.
Key figures
- Alan Heeger
- Alan MacDiarmid
- Hideki Shirakawa
Related topics
Seminal works
- heeger2001
- young2011
Frequently asked questions
- هل البوليمرات الموصلة موصلة بذاتها؟
- في حالتها المحايدة، تكون معظم البوليمرات المترافقة شبه موصلة أو عازلة. تصبح موصلة للغاية فقط بعد التطعيم، الذي يضيف أو يزيل الإلكترونات لإنشاء حاملات شحنة متحركة على طول الهيكل.
- أين تُستخدم البوليمرات الموصلة؟
- تظهر في الثنائيات الباعثة للضوء العضوية، والخلايا الشمسية، والترانزستورات، كطلاءات أقطاب كهربائية شفافة ومضادة للكهرباء الساكنة، وفي أجهزة الاستشعار، والشاشات الكهروكرومية، وأقطاب تخزين الطاقة، حيث يكون سلوكها الإلكتروني القابل للضبط والمعالجة ذا قيمة.