Polyme dẫn điện và điện hoạt

Polyme dẫn điện và điện hoạt mang điện tích hoặc phản ứng điện do có mạch xương sống liên hợp mà khi được pha tạp, sẽ trở thành chất bán dẫn hoặc gần kim loại, biến chất dẻo thành vật liệu điện tử hoạt động.

Definition

Polyme dẫn điện và điện hoạt là các đại phân tử hữu cơ có mạch xương sống liên hợp, sau khi pha tạp, dẫn điện hoặc trải qua các thay đổi oxy hóa khử và quang học thuận nghịch, mang lại cho chúng hành vi điện từ bán dẫn đến kim loại.

Scope

Chủ đề này bao gồm các polyme dẫn điện nội tại như polyaxetylen, polypyrol, polythiophen, polyanilin và PEDOT: vai trò của liên hợp mạch xương sống, cơ chế và hóa học của quá trình pha tạp, các hạt tải điện bao gồm polaron và bipolaron, và hành vi điện tử, quang học, điện hóa học thu được được khai thác trong các thiết bị.

Core questions

• Tại sao liên hợp mạch xương sống cho phép điện tích di chuyển dọc theo chuỗi polyme?
• Làm thế nào quá trình pha tạp biến một polyme liên hợp cách điện thành chất dẫn điện?
• Polaron và bipolaron là gì và chúng mang điện tích như thế nào?
• Những polyme này được sử dụng như thế nào trong các thiết bị điện tử và điện hóa?

Key theories

Liên hợp và hình thành dải năng lượng

Các liên kết đơn và đôi xen kẽ dọc theo mạch xương sống làm phi định xứ các electron pi thành các trạng thái mở rộng giống như dải hóa trị và dải dẫn, cung cấp cấu trúc điện tử mà, một khi các hạt tải điện được thêm vào, hỗ trợ dẫn điện.

Pha tạp và hạt tải điện

Pha tạp oxy hóa hoặc khử loại bỏ hoặc thêm electron, tạo ra các khuyết tật tích điện, di động (polaron và bipolaron) trên chuỗi và làm tăng độ dẫn điện lên nhiều bậc độ lớn, một quá trình thường có thể đảo ngược điện hóa.

Mechanisms

Trong một polyme liên hợp, sự chồng lấn của các obitan p dọc theo mạch xương sống làm cho các electron bị phi định xứ, nhưng chuỗi trung hòa có một dải đầy và hoạt động như một chất cách điện hoặc bán dẫn. Pha tạp bằng cách oxy hóa hoặc khử hóa học, hoặc bằng cách sạc điện hóa, đưa các hạt tải điện vào dưới dạng polaron và bipolaron—các biến dạng tích điện cục bộ di chuyển dọc theo và giữa các chuỗi. Độ dẫn điện, hấp thụ quang học và màu sắc của vật liệu thay đổi thuận nghịch theo mức độ pha tạp, là cơ sở của hành vi điện hoạt. Vận chuyển điện tích tổng thể bị giới hạn bởi sự nhảy giữa các chuỗi, vì vậy hình thái và trật tự ảnh hưởng mạnh mẽ đến hiệu suất.

Clinical relevance

Polyme dẫn điện và điện hoạt cho phép phát triển điện tử hữu cơ và thiết bị năng lượng: màng dựa trên PEDOT đóng vai trò là điện cực trong suốt và lớp phủ chống tĩnh điện, polyme liên hợp hoạt động như lớp hoạt động trong điốt phát quang hữu cơ, bóng bán dẫn và pin mặt trời, và polyme hoạt động oxy hóa khử được sử dụng trong cảm biến, cửa sổ điện sắc, siêu tụ điện và điện cực pin.

History

Heeger, MacDiarmid và Shirakawa đã phát hiện vào năm 1977 rằng việc pha tạp polyaxetylen làm tăng độ dẫn điện của nó lên nhiều bậc độ lớn, thiết lập các polyme liên hợp như vật liệu điện tử và giành giải Nobel Hóa học năm 2000; những thập kỷ tiếp theo đã tạo ra các chất dẫn điện ổn định, có thể xử lý được như polyanilin và PEDOT, đưa lĩnh vực này vào các thiết bị thương mại.

Key figures

• Alan Heeger
• Alan MacDiarmid
• Hideki Shirakawa

Seminal works

• heeger2001
• young2011

Frequently asked questions

Polyme dẫn điện có tự dẫn điện không?

Ở trạng thái trung hòa, hầu hết các polyme liên hợp là chất bán dẫn hoặc chất cách điện. Chúng chỉ trở nên có độ dẫn điện cao sau khi pha tạp, điều này thêm hoặc loại bỏ electron để tạo ra các hạt tải điện di động dọc theo mạch xương sống.

Polyme dẫn điện được sử dụng ở đâu?

Chúng xuất hiện trong điốt phát quang hữu cơ, pin mặt trời và bóng bán dẫn, làm lớp phủ điện cực trong suốt và chống tĩnh điện, và trong cảm biến, màn hình điện sắc và điện cực lưu trữ năng lượng, nơi hành vi điện tử có thể điều chỉnh và xử lý của chúng rất có giá trị.