Leitfähige und elektroaktive Polymere

Leitfähige und elektroaktive Polymere leiten elektrische Ladung oder reagieren elektrisch aufgrund einer konjugierten Hauptkette, die im dotierten Zustand zu einem Halbleiter oder nahezu metallischen Material wird und Kunststoffe in aktive elektronische Materialien verwandelt.

Definition

Leitfähige und elektroaktive Polymere sind organische Makromoleküle, deren konjugierte Hauptketten nach dem Dotieren elektrische Ladung leiten oder reversible Redox- und optische Veränderungen erfahren, wodurch sie ein halbleitendes bis metallisches elektrisches Verhalten aufweisen.

Scope

Dieses Thema behandelt intrinsisch leitfähige Polymere wie Polyacetylen, Polypyrrol, Polythiophen, Polyanilin und PEDOT: die Rolle der Konjugation der Hauptkette, den Mechanismus und die Chemie des Dotierens, Ladungsträger einschließlich Polaronen und Bipolaronen sowie das resultierende elektronische, optische und elektrochemische Verhalten, das in Geräten genutzt wird.

Core questions

• Warum ermöglicht die Konjugation der Hauptkette die Bewegung von Ladung entlang einer Polymerkette?
• Wie wandelt das Dotieren ein isolierendes konjugiertes Polymer in einen Leiter um?
• Was sind Polaronen und Bipolaronen und wie transportieren sie Ladung?
• Wie werden diese Polymere in elektronischen und elektrochemischen Geräten eingesetzt?

Key theories

Konjugation und Bandbildung

Abwechselnde Einfach- und Doppelbindungen entlang der Hauptkette delokalisieren Pi-Elektronen in ausgedehnte Zustände, die Valenz- und Leitungsbändern ähneln, und bilden so die elektronische Struktur, die, sobald Ladungsträger hinzugefügt werden, die Leitung unterstützt.

Dotierung und Ladungsträger

Oxidative oder reduktive Dotierung entfernt oder fügt Elektronen hinzu, wodurch geladene, mobile Defekte (Polaronen und Bipolaronen) auf der Kette entstehen und die Leitfähigkeit um viele Größenordnungen erhöht wird, ein Prozess, der oft elektrochemisch reversibel ist.

Mechanisms

In einem konjugierten Polymer delokalisiert die Überlappung von p-Orbitalen entlang der Hauptkette Elektronen, aber die neutrale Kette hat ein gefülltes Band und verhält sich als Isolator oder Halbleiter. Das Dotieren durch chemische Oxidation oder Reduktion oder durch elektrochemische Aufladung führt Ladungsträger in Form von Polaronen und Bipolaronen ein – lokalisierte geladene Verzerrungen, die sich entlang und zwischen den Ketten bewegen. Die Leitfähigkeit, optische Absorption und Farbe des Materials ändern sich reversibel mit dem Dotierungsgrad, was die Grundlage des elektroaktiven Verhaltens ist. Der Ladungstransport wird insgesamt durch das Hüpfen zwischen den Ketten begrenzt, sodass Morphologie und Ordnung die Leistung stark beeinflussen.

Clinical relevance

Leitfähige und elektroaktive Polymere ermöglichen organische Elektronik- und Energiegeräte: PEDOT-basierte Filme dienen als transparente Elektroden und antistatische Beschichtungen, konjugierte Polymere fungieren als aktive Schicht in organischen Leuchtdioden, Transistoren und Solarzellen, und redoxaktive Polymere werden in Sensoren, elektrochromen Fenstern, Superkondensatoren und Batterieelektroden eingesetzt.

History

Heeger, MacDiarmid und Shirakawa entdeckten 1977, dass das Dotieren von Polyacetylen dessen Leitfähigkeit um viele Größenordnungen erhöhte, wodurch konjugierte Polymere als elektronische Materialien etabliert wurden und sie 2000 den Nobelpreis für Chemie erhielten; in den folgenden Jahrzehnten wurden verarbeitbare, stabile Leiter wie Polyanilin und PEDOT entwickelt, die das Feld in kommerzielle Geräte brachten.

Key figures

• Alan Heeger
• Alan MacDiarmid
• Hideki Shirakawa

Seminal works

• heeger2001
• young2011

Frequently asked questions

Sind leitfähige Polymere von Natur aus leitfähig?

In ihrem neutralen Zustand sind die meisten konjugierten Polymere Halbleiter oder Isolatoren. Sie werden erst nach dem Dotieren hochleitfähig, wodurch Elektronen hinzugefügt oder entfernt werden, um mobile Ladungsträger entlang der Hauptkette zu erzeugen.

Wo werden leitfähige Polymere eingesetzt?

Sie finden sich in organischen Leuchtdioden, Solarzellen und Transistoren, als transparente und antistatische Elektrodenbeschichtungen sowie in Sensoren, elektrochromen Displays und Energiespeicherelektroden, wo ihr abstimmbares, verarbeitbares elektronisches Verhalten von Wert ist.