Проводящие и электроактивные полимеры

Проводящие и электроактивные полимеры переносят электрический заряд или электрически реагируют благодаря сопряженной основной цепи, которая при легировании становится полупроводником или почти металлом, превращая пластмассы в активные электронные материалы.

Definition

Проводящие и электроактивные полимеры — это органические макромолекулы, чьи сопряженные основные цепи после легирования проводят электрический заряд или претерпевают обратимые окислительно-восстановительные и оптические изменения, что придает им электрические свойства от полупроводниковых до металлических.

Scope

Эта тема охватывает внутренне проводящие полимеры, такие как полиацетилен, полипиррол, политиофен, полианилин и PEDOT: роль сопряжения основной цепи, механизм и химия легирования, носители заряда, включая поляроны и биполяроны, а также результирующее электронное, оптическое и электрохимическое поведение, используемое в устройствах.

Core questions

• Почему сопряжение основной цепи позволяет заряду перемещаться вдоль полимерной цепи?
• Как легирование превращает изолирующий сопряженный полимер в проводник?
• Что такое поляроны и биполяроны и как они переносят заряд?
• Как эти полимеры используются в электронных и электрохимических устройствах?

Key theories

Сопряжение и образование зон

Чередующиеся одинарные и двойные связи вдоль основной цепи делокализуют пи-электроны в протяженные состояния, напоминающие валентные зоны и зоны проводимости, обеспечивая электронную структуру, которая, после добавления носителей заряда, поддерживает проводимость.

Легирование и носители заряда

Окислительное или восстановительное легирование удаляет или добавляет электроны, создавая заряженные, подвижные дефекты (поляроны и биполяроны) в цепи и повышая проводимость на многие порядки, причем этот процесс часто является электрохимически обратимым.

Mechanisms

В сопряженном полимере перекрытие p-орбиталей вдоль основной цепи делокализует электроны, но нейтральная цепь имеет заполненную зону и ведет себя как изолятор или полупроводник. Легирование путем химического окисления или восстановления, или электрохимического заряда, вводит носители заряда в виде поляронов и биполяронов — локализованных заряженных искажений, которые перемещаются вдоль цепей и между ними. Проводимость, оптическое поглощение и цвет материала обратимо изменяются с уровнем легирования, что является основой электроактивного поведения. Перенос заряда в целом ограничен прыжками между цепями, поэтому морфология и порядок сильно влияют на производительность.

Clinical relevance

Проводящие и электроактивные полимеры позволяют создавать органическую электронику и энергетические устройства: пленки на основе PEDOT служат прозрачными электродами и антистатическими покрытиями, сопряженные полимеры выступают в качестве активного слоя в органических светодиодах, транзисторах и солнечных элементах, а окислительно-восстановительные полимеры используются в датчиках, электрохромных окнах, суперконденсаторах и электродах батарей.

History

Хигер, МакДиармид и Ширакава в 1977 году обнаружили, что легирование полиацетилена увеличивает его проводимость на многие порядки, что утвердило сопряженные полимеры в качестве электронных материалов и принесло им Нобелевскую премию по химии в 2000 году; последующие десятилетия привели к созданию технологичных, стабильных проводников, таких как полианилин и PEDOT, что позволило внедрить эту область в коммерческие устройства.

Key figures

• Alan Heeger
• Alan MacDiarmid
• Hideki Shirakawa

Seminal works

• heeger2001
• young2011

Frequently asked questions

Являются ли проводящие полимеры проводящими сами по себе?

В нейтральном состоянии большинство сопряженных полимеров являются полупроводниками или изоляторами. Они становятся высокопроводящими только после легирования, которое добавляет или удаляет электроны для создания подвижных носителей заряда вдоль основной цепи.

Где используются проводящие полимеры?

Они применяются в органических светодиодах, солнечных элементах и транзисторах, в качестве прозрачных и антистатических электродных покрытий, а также в датчиках, электрохромных дисплеях и электродах для хранения энергии, где ценно их настраиваемое, технологичное электронное поведение.