Polímeros Condutores e Eletroativos

Polímeros condutores e eletroativos transportam carga elétrica ou respondem eletricamente devido a uma cadeia principal conjugada que, quando dopada, torna-se um semicondutor ou quase-metal, transformando plásticos em materiais eletrônicos ativos.

Definition

Polímeros condutores e eletroativos são macromoléculas orgânicas cujas cadeias principais conjugadas, após a dopagem, conduzem carga elétrica ou sofrem alterações redox e ópticas reversíveis, conferindo-lhes um comportamento elétrico de semicondutor a metálico.

Scope

Este tópico abrange polímeros intrinsecamente condutores como poliacetileno, polipirrol, politiofeno, polianilina e PEDOT: o papel da conjugação da cadeia principal, o mecanismo e a química da dopagem, portadores de carga incluindo polaron e bipolaron, e o comportamento eletrônico, óptico e eletroquímico resultante explorado em dispositivos.

Core questions

• Por que a conjugação da cadeia principal permite que a carga se mova ao longo de uma cadeia polimérica?
• Como a dopagem converte um polímero conjugado isolante em um condutor?
• O que são polarons e bipolarons e como eles transportam carga?
• Como esses polímeros são usados em dispositivos eletrônicos e eletroquímicos?

Key theories

Conjugação e formação de banda

Ligações simples e duplas alternadas ao longo da cadeia principal deslocalizam elétrons pi em estados estendidos que se assemelham a bandas de valência e condução, fornecendo a estrutura eletrônica que, uma vez adicionados os portadores de carga, suporta a condução.

Dopagem e portadores de carga

A dopagem oxidativa ou redutiva remove ou adiciona elétrons, criando defeitos carregados e móveis (polarons e bipolarons) na cadeia e aumentando a condutividade em muitas ordens de magnitude, um processo que é frequentemente eletroquimicamente reversível.

Mechanisms

Em um polímero conjugado, a sobreposição de orbitais p ao longo da cadeia principal deslocaliza elétrons, mas a cadeia neutra possui uma banda preenchida e se comporta como um isolante ou semicondutor. A dopagem por oxidação ou redução química, ou por carregamento eletroquímico, introduz portadores de carga na forma de polarons e bipolarons — distorções carregadas localizadas que se movem ao longo e entre as cadeias. A condutividade, a absorção óptica e a cor do material mudam reversivelmente com o nível de dopagem, a base do comportamento eletroativo. O transporte de carga é geralmente limitado pelo salto entre as cadeias, de modo que a morfologia e a ordem afetam fortemente o desempenho.

Clinical relevance

Polímeros condutores e eletroativos possibilitam a eletrônica orgânica e dispositivos de energia: filmes à base de PEDOT servem como eletrodos transparentes e revestimentos antiestáticos, polímeros conjugados atuam como a camada ativa em diodos emissores de luz orgânicos, transistores e células solares, e polímeros redox-ativos são usados em sensores, janelas eletrocrômicas, supercapacitores e eletrodos de bateria.

History

Heeger, MacDiarmid e Shirakawa descobriram em 1977 que a dopagem do poliacetileno aumentava sua condutividade em muitas ordens de magnitude, estabelecendo os polímeros conjugados como materiais eletrônicos e rendendo o Prêmio Nobel de Química de 2000; as décadas subsequentes produziram condutores processáveis e estáveis, como a polianilina e o PEDOT, que levaram o campo a dispositivos comerciais.

Key figures

• Alan Heeger
• Alan MacDiarmid
• Hideki Shirakawa

Seminal works

• heeger2001
• young2011

Frequently asked questions

Os polímeros condutores são condutores por si só?

Em seu estado neutro, a maioria dos polímeros conjugados são semicondutores ou isolantes. Eles se tornam altamente condutores somente após a dopagem, que adiciona ou remove elétrons para criar portadores de carga móveis ao longo da cadeia principal.

Onde os polímeros condutores são usados?

Eles aparecem em diodos emissores de luz orgânicos, células solares e transistores, como revestimentos de eletrodos transparentes e antiestáticos, e em sensores, displays eletrocrômicos e eletrodos de armazenamento de energia, onde seu comportamento eletrônico ajustável e processável é valioso.