Polymères conducteurs et électroactifs

Les polymères conducteurs et électroactifs transportent une charge électrique ou réagissent électriquement grâce à un squelette conjugué qui, une fois dopé, devient un semi-conducteur ou un quasi-métal, transformant ainsi les plastiques en matériaux électroniques actifs.

Definition

Les polymères conducteurs et électroactifs sont des macromolécules organiques dont les squelettes conjugués, après dopage, conduisent une charge électrique ou subissent des changements redox et optiques réversibles, leur conférant un comportement électrique allant du semi-conducteur au métallique.

Scope

Ce thème aborde les polymères intrinsèquement conducteurs tels que le polyacétylène, le polypyrrole, le polythiophène, la polyaniline et le PEDOT : le rôle de la conjugaison du squelette, le mécanisme et la chimie du dopage, les porteurs de charge, y compris les polarons et les bipolarons, ainsi que le comportement électronique, optique et électrochimique qui en résulte, exploité dans les dispositifs.

Core questions

• Pourquoi la conjugaison du squelette permet-elle le déplacement de la charge le long d'une chaîne polymère ?
• Comment le dopage convertit-il un polymère conjugué isolant en conducteur ?
• Que sont les polarons et les bipolarons et comment transportent-ils la charge ?
• Comment ces polymères sont-ils utilisés dans les dispositifs électroniques et électrochimiques ?

Key theories

Conjugaison et formation de bandes

L'alternance de liaisons simples et doubles le long du squelette délocalise les électrons pi en des états étendus ressemblant à des bandes de valence et de conduction, fournissant la structure électronique qui, une fois les porteurs de charge ajoutés, permet la conduction.

Dopage et porteurs de charge

Le dopage oxydatif ou réducteur retire ou ajoute des électrons, créant des défauts chargés et mobiles (polarons et bipolarons) sur la chaîne et augmentant la conductivité de plusieurs ordres de grandeur, un processus souvent réversible électrochimiquement.

Mechanisms

Dans un polymère conjugué, le chevauchement des orbitales p le long du squelette délocalise les électrons, mais la chaîne neutre possède une bande remplie et se comporte comme un isolant ou un semi-conducteur. Le dopage par oxydation ou réduction chimique, ou par chargement électrochimique, introduit des porteurs de charge sous forme de polarons et de bipolarons — des distorsions chargées localisées qui se déplacent le long et entre les chaînes. La conductivité, l'absorption optique et la couleur du matériau changent de manière réversible avec le niveau de dopage, ce qui constitue la base du comportement électroactif. Le transport de charge global est limité par le saut entre les chaînes, de sorte que la morphologie et l'ordre affectent fortement les performances.

Clinical relevance

Les polymères conducteurs et électroactifs permettent le développement de l'électronique organique et des dispositifs énergétiques : les films à base de PEDOT servent d'électrodes transparentes et de revêtements antistatiques, les polymères conjugués agissent comme couche active dans les diodes électroluminescentes organiques, les transistors et les cellules solaires, et les polymères redox-actifs sont utilisés dans les capteurs, les fenêtres électrochromes, les supercondensateurs et les électrodes de batterie.

History

Heeger, MacDiarmid et Shirakawa ont découvert en 1977 que le dopage du polyacétylène augmentait sa conductivité de plusieurs ordres de grandeur, établissant les polymères conjugués comme matériaux électroniques et leur valant le prix Nobel de chimie en 2000 ; les décennies suivantes ont produit des conducteurs stables et processables tels que la polyaniline et le PEDOT qui ont fait progresser le domaine vers les dispositifs commerciaux.

Key figures

• Alan Heeger
• Alan MacDiarmid
• Hideki Shirakawa

Seminal works

• heeger2001
• young2011

Frequently asked questions

Les polymères conducteurs sont-ils conducteurs par eux-mêmes ?

À l'état neutre, la plupart des polymères conjugués sont des semi-conducteurs ou des isolants. Ils ne deviennent hautement conducteurs qu'après dopage, qui ajoute ou retire des électrons pour créer des porteurs de charge mobiles le long du squelette.

Où les polymères conducteurs sont-ils utilisés ?

Ils sont présents dans les diodes électroluminescentes organiques, les cellules solaires et les transistors, comme revêtements d'électrodes transparents et antistatiques, et dans les capteurs, les écrans électrochromes et les électrodes de stockage d'énergie, où leur comportement électronique ajustable et processable est précieux.