導電性高分子と電気活性高分子

導電性高分子と電気活性高分子は、共役主鎖がドーピングによって半導体または準金属となり、プラスチックを能動的な電子材料に変えることで、電荷を伝導したり、電気的に応答したりする。

Definition

導電性高分子と電気活性高分子は、ドーピング後に共役主鎖が電荷を伝導したり、可逆的なレドックスおよび光学的変化を受けたりする有機高分子であり、半導体から金属的な電気的挙動を示す。

Scope

このトピックでは、ポリアセチレン、ポリピロール、ポリチオフェン、ポリアニリン、PEDOTなどの本質的に導電性の高分子について扱う。主鎖共役の役割、ドーピングのメカニズムと化学、ポーラロンやバイポーラロンを含む電荷キャリア、およびデバイスで利用される結果として生じる電子的、光学的、電気化学的挙動について説明する。

Core questions

• なぜ主鎖共役は高分子鎖に沿って電荷を移動させることを可能にするのか？
• ドーピングはどのようにして絶縁性の共役高分子を導電体に変換するのか？
• ポーラロンとバイポーラロンとは何か、そしてそれらはどのように電荷を運ぶのか？
• これらの高分子は電子デバイスや電気化学デバイスでどのように使用されているのか？

Key theories

共役とバンド形成

主鎖に沿った単結合と二重結合の交互配置は、パイ電子を価電子帯と伝導帯に似た拡張状態に非局在化させ、電荷キャリアが追加されると伝導をサポートする電子構造を提供する。

ドーピングと電荷キャリア

酸化的または還元的なドーピングは電子を除去または追加し、鎖上に帯電した移動性の欠陥（ポーラロンとバイポーラロン）を生成し、導電率を桁違いに向上させる。このプロセスはしばしば電気化学的に可逆的である。

Mechanisms

共役高分子では、主鎖に沿ったp軌道の重なりが電子を非局在化させるが、中性の鎖は満たされたバンドを持ち、絶縁体または半導体として振る舞う。化学的酸化または還元、あるいは電気化学的充電によるドーピングは、ポーラロンおよびバイポーラロンの形で電荷キャリアを導入する。これらは鎖に沿って、また鎖間で移動する局在化した帯電した歪みである。材料の導電率、光吸収、および色はドーピングレベルによって可逆的に変化し、これが電気活性挙動の基礎となる。電荷輸送全体は鎖間のホッピングによって制限されるため、形態と秩序が性能に強く影響する。

Clinical relevance

導電性高分子と電気活性高分子は、有機エレクトロニクスおよびエネルギーデバイスを可能にする。PEDOTベースのフィルムは透明電極および帯電防止コーティングとして機能し、共役高分子は有機発光ダイオード、トランジスタ、太陽電池の活性層として機能し、レドックス活性高分子はセンサー、エレクトロクロミック窓、スーパーキャパシタ、およびバッテリー電極に使用される。

History

Heeger、MacDiarmid、Shirakawaは1977年に、ポリアセチレンのドーピングがその導電率を桁違いに向上させることを発見し、共役高分子を電子材料として確立し、2000年のノーベル化学賞を受賞した。その後の数十年で、ポリアニリンやPEDOTのような加工可能で安定した導電体が開発され、この分野は商業デバイスへと進展した。

Key figures

• Alan Heeger
• Alan MacDiarmid
• Hideki Shirakawa

Seminal works

• heeger2001
• young2011

Frequently asked questions

導電性高分子はそれ自体で導電性があるのか？

中性状態のほとんどの共役高分子は半導体または絶縁体である。それらはドーピング後にのみ高い導電性を示し、ドーピングによって電子が追加または除去され、主鎖に沿って移動性の電荷キャリアが生成される。

導電性高分子はどこで使用されているのか？

それらは有機発光ダイオード、太陽電池、トランジスタ、透明および帯電防止電極コーティング、センサー、エレクトロクロミックディスプレイ、およびエネルギー貯蔵電極に現れ、その調整可能で加工可能な電子的挙動が価値がある。