Проводящие полимеры или, точнее, собственно проводящие полимеры (ICP) представляют собой органические полимеры , которые проводят электричество . [1] [2] Такие соединения могут иметь металлическую проводимость или могут быть полупроводниками . Главное преимущество проводящих полимеров заключается в том, что их легко обрабатывать, в основном путем дисперсии . Проводящие полимеры, как правило, не являются термопластами , т. е . они не поддаются термоформованию. Но, как и изолирующие полимеры, они являются органическими материалами. Они могут обеспечивать высокую электропроводность, но не демонстрируют механических свойств, аналогичных другим коммерчески доступным полимерам. Электрические свойства можно точно настроить с помощью методов органического синтеза [3] и передовых методов дисперсии. [4]
Полианилин был впервые описан в середине 19 века Генри Летеби , который исследовал электрохимические и химические продукты окисления анилина в кислых средах. Он отметил, что восстановленная форма была бесцветной, но окисленные формы были темно-синими. [5]
Первыми высокопроводящими органическими соединениями были комплексы с переносом заряда . [6] В 1950-х годах исследователи сообщили, что полициклические ароматические соединения образуют полупроводниковые комплексные соли с переносом заряда с галогенами. [3] В 1954 году исследователи из Bell Labs и других организаций сообщили об органических комплексах с переносом заряда с удельным сопротивлением всего лишь 8 Ом .см. [7] [8] В начале 1970-х годов исследователи продемонстрировали, что соли тетратиафульвалена демонстрируют [9] почти металлическую проводимость, в то время как сверхпроводимость была продемонстрирована в 1980 году. Широкое исследование солей комплексов с переносом заряда продолжается и сегодня. Хотя эти соединения технически не были полимерами, это указывало на то, что органические соединения могут проводить ток. Хотя органические проводники ранее обсуждались периодически, эта область была особенно активизирована предсказанием сверхпроводимости [ 10] после открытия теории БКШ .
В 1963 году австралийцы BA Bolto, DE Weiss и их коллеги сообщили о производных полипиррола с удельным сопротивлением всего лишь 1 Ом.см. Было несколько сообщений о подобных высокопроводящих окисленных полиацетиленах. [11] [7] За исключением комплексов с переносом заряда (некоторые из которых даже являются сверхпроводниками ), органические молекулы ранее считались изоляторами или, в лучшем случае, слабопроводящими полупроводниками . Впоследствии DeSurville и его коллеги сообщили о высокой проводимости в полианилине. [12] Аналогичным образом, в 1980 году Diaz и Logan сообщили о пленках полианилина, которые могут служить электродами. [13]
Хотя в основном они работают в масштабе менее 100 нанометров, «молекулярные» электронные процессы могут коллективно проявляться в макромасштабе. Примерами являются квантовое туннелирование , отрицательное сопротивление , прыжки с участием фононов и поляроны . В 1977 году Алан Дж. Хигер , Алан МакДиармид и Хидеки Сиракава сообщили о схожей высокой проводимости в окисленном полиацетилене, легированном йодом. [14] За это исследование они были награждены Нобелевской премией по химии 2000 года «за открытие и разработку проводящих полимеров». [15] Сам полиацетилен не нашел практического применения, но привлек внимание ученых и способствовал быстрому росту этой области. [5] С конца 1980-х годов органические светодиоды (OLED) стали важным применением проводящих полимеров. [16] [17]
Линейные "полимерные черные" ( полиацетилен , полипиррол , полииндол и полианилин ) и их сополимеры являются основным классом проводящих полимеров. Поли(п-фениленвинилен) (PPV) и его растворимые производные появились как прототипические электролюминесцентные полупроводниковые полимеры. Сегодня поли(3-алкилтиофены) являются архетипическими материалами для солнечных элементов и транзисторов. [3]
В следующей таблице представлены некоторые органические проводящие полимеры в соответствии с их составом. Хорошо изученные классы выделены жирным шрифтом , а менее изученные — курсивом .
Проводящие полимеры готовятся многими методами. Большинство проводящих полимеров готовятся окислительным связыванием моноциклических предшественников. Такие реакции влекут за собой дегидрирование :
Низкая растворимость большинства полимеров создает проблемы. Некоторые исследователи добавляют солюбилизирующие функциональные группы к некоторым или всем мономерам для повышения растворимости. Другие решают эту проблему путем формирования наноструктур и стабилизированных поверхностно-активными веществами проводящих полимерных дисперсий в воде. К ним относятся полианилиновые нановолокна и PEDOT : PSS . Во многих случаях молекулярная масса проводящих полимеров ниже, чем у обычных полимеров, таких как полиэтилен. Однако в некоторых случаях молекулярная масса не обязательно должна быть высокой для достижения желаемых свойств.
Существует два основных метода синтеза проводящих полимеров: химический синтез и электро(со)полимеризация. Химический синтез означает соединение углерод-углеродной связи мономеров путем помещения простых мономеров в различные условия, такие как нагревание, прессование, воздействие света и катализатор. Преимущество заключается в высоком выходе. Однако в конечном продукте есть много вероятных примесей . Электро(со)полимеризация означает введение трех электродов (электрода сравнения, противоэлектрода и рабочего электрода) в раствор, включая реакторы или мономеры. При подаче напряжения на электроды стимулируется окислительно-восстановительная реакция для синтеза полимера. Электро(со)полимеризацию также можно разделить на циклическую вольтамперометрию и потенциостатический метод путем подачи циклического напряжения [18] и постоянного напряжения соответственно. Преимуществом электро(со)полимеризации является высокая чистота продуктов. Но этот метод позволяет синтезировать только несколько продуктов за раз.
Проводимость таких полимеров является результатом нескольких процессов. Например, в традиционных полимерах, таких как полиэтилены , валентные электроны связаны в sp 3 гибридизированные ковалентные связи . Такие «сигма-связанные электроны» имеют низкую подвижность и не вносят вклад в электропроводность материала. Однако в сопряженных материалах ситуация совершенно иная. Проводящие полимеры имеют остовы смежных sp 2 гибридизированных углеродных центров. Один валентный электрон на каждом центре находится на ap z орбитали, которая ортогональна трем другим сигма-связям. Все p z орбитали объединяются друг с другом в делокализованный набор орбиталей по всей молекуле. Электроны на этих делокализованных орбиталях обладают высокой подвижностью, когда материал «легируется» окислением, которое удаляет некоторые из этих делокализованных электронов. Таким образом, сопряженные p-орбитали образуют одномерную электронную зону , и электроны внутри этой зоны становятся подвижными, когда она частично опустошается. Структуры зон проводящих полимеров можно легко рассчитать с помощью модели сильной связи . В принципе, эти же материалы можно легировать путем восстановления, что добавляет электроны к в противном случае незаполненной зоне. На практике большинство органических проводников легируют окислительно, чтобы получить материалы p-типа. Окислительно-восстановительное легирование органических проводников аналогично легированию кремниевых полупроводников, при котором небольшая часть атомов кремния заменяется богатыми электронами, например , фосфором , или бедными электронами, например , бором , атомами, чтобы создать полупроводники n-типа и p-типа соответственно.
Хотя обычно «легирование» проводящих полимеров подразумевает окисление или восстановление материала, проводящие органические полимеры, связанные с протонным растворителем, также могут быть «самолегированными».
Нелегированные сопряженные полимеры являются полупроводниками или изоляторами. В таких соединениях энергетический зазор может быть > 2 эВ, что слишком велико для термически активированной проводимости. Поэтому нелегированные сопряженные полимеры, такие как политиофены, полиацетилены, имеют лишь низкую электропроводность около 10−10 до 10−8 См / см. Даже при очень низком уровне легирования (< 1%) электропроводность увеличивается на несколько порядков до значений около 0,1 См/см. Последующее легирование проводящих полимеров приведет к насыщению проводимости при значениях около 0,1–10 кСм/см (10–1000 См/м) для различных полимеров. Самые высокие значения, зарегистрированные до сих пор, относятся к проводимости ориентированного растяжением полиацетилена с подтвержденными значениями около 80 кСм/см (8 МСм/м). [16] [19] [20] [21] [22] [23] [24] [ чрезмерное цитирование ] Хотя пи-электроны в полиацетилене делокализованы вдоль цепи, чистый полиацетилен не является металлом. Полиацетилен имеет чередующиеся одинарные и двойные связи, которые имеют длину 1,44 и 1,36 Å соответственно. [25] При легировании изменение связей уменьшается при увеличении проводимости. Нелегированное увеличение проводимости также может быть достигнуто в полевом транзисторе (органический FET или OFET ) и путем облучения . Некоторые материалы также демонстрируют отрицательное дифференциальное сопротивление и управляемое напряжением «переключение», аналогичное наблюдаемому в неорганических аморфных полупроводниках.
Несмотря на интенсивные исследования, взаимосвязь между морфологией, структурой цепи и проводимостью до сих пор плохо изучена. [22] Обычно предполагается, что проводимость должна быть выше для более высокой степени кристалличности и лучшего выравнивания цепей, однако это не удалось подтвердить для полианилина и только недавно было подтверждено для PEDOT , [26] [27], который в значительной степени аморфен.
Проводящие полимеры показывают многообещающие результаты в антистатических материалах [3] , и они были включены в коммерческие дисплеи и батареи. Литература предполагает, что они также многообещающи в органических солнечных элементах , печатных электронных схемах , органических светодиодах , приводах , электрохромизме , суперконденсаторах , химических датчиках , массивах химических датчиков и биосенсорах , [28] гибких прозрачных дисплеях, электромагнитном экранировании и, возможно, замене популярного прозрачного проводника оксида индия и олова . Другое применение - для поглощающих микроволны покрытий, в частности, поглощающих радары покрытий на самолетах-невидимках . Проводящие полимеры быстро набирают популярность в новых приложениях с все более обрабатываемыми материалами с лучшими электрическими и физическими свойствами и более низкой стоимостью. Новые наноструктурированные формы проводящих полимеров, в частности, дополняют эту область своей более высокой площадью поверхности и лучшей диспергируемостью. Отчеты об исследованиях показали, что наноструктурированные проводящие полимеры в форме нановолокон и наногубок демонстрируют значительно улучшенные значения емкости по сравнению с их ненаноструктурированными аналогами. [29] [30]
Благодаря доступности стабильных и воспроизводимых дисперсий, PEDOT и полианилин получили некоторые крупномасштабные применения. В то время как PEDOT ( поли(3,4-этилендиокситиофен) ) в основном используется в антистатических приложениях и в качестве прозрачного проводящего слоя в форме дисперсий PEDOT:PSS (PSS= полистиролсульфоновая кислота ), полианилин широко используется в производстве печатных плат — в окончательной отделке, для защиты меди от коррозии и предотвращения ее паяемости. [4] Более того, полииндол также начинает привлекать внимание для различных применений из-за его высокой окислительно-восстановительной активности, [31] термической стабильности, [30] и свойств медленной деградации, чем у конкурентов — полианилина и полипиррола. [32]
Электролюминесценция — это излучение света, стимулируемое электрическим током. В органических соединениях электролюминесценция известна с начала 1950-х годов, когда Бернаноуз и его коллеги впервые получили электролюминесценцию в кристаллических тонких пленках акридинового оранжевого и хинакрина. В 1960 году исследователи из Dow Chemical разработали электролюминесцентные ячейки, работающие на переменном токе, с использованием легирования. В некоторых случаях подобное излучение света наблюдается при подаче напряжения на тонкий слой проводящей органической полимерной пленки. Хотя электролюминесценция изначально представляла в основном академический интерес, повышенная проводимость современных проводящих полимеров означает, что через устройство при низких напряжениях можно пропускать достаточно энергии для генерации практического количества света. Это свойство привело к разработке плоских дисплеев с использованием органических светодиодов , солнечных панелей и оптических усилителей .
Поскольку большинство проводящих полимеров требуют окислительного легирования, свойства полученного состояния имеют решающее значение. Такие материалы являются солеподобными (полимерная соль), что делает их менее растворимыми в органических растворителях и воде и, следовательно, более трудными для обработки. Кроме того, заряженный органический остов часто нестабилен по отношению к атмосферной влаге. Улучшение технологичности для многих полимеров требует введения солюбилизирующих заместителей, что может еще больше усложнить синтез.
Экспериментальные и теоретические термодинамические данные свидетельствуют о том, что проводящие полимеры могут быть даже полностью и принципиально нерастворимыми, так что их можно обрабатывать только методом дисперсии . [4]
В последнее время основное внимание уделяется органическим светодиодам и органическим полимерным солнечным элементам . [33] Ассоциация органической электроники является международной платформой для продвижения приложений органических полупроводников . Проводящие полимерные продукты со встроенной и улучшенной защитой от электромагнитных помех (EMI) и электростатического разряда (ESD) привели как к прототипам, так и к продуктам. Например, Исследовательский центр полимерной электроники в Университете Окленда разрабатывает ряд новых технологий датчиков ДНК на основе проводящих полимеров, фотолюминесцентных полимеров и неорганических нанокристаллов (квантовых точек) для простого, быстрого и чувствительного обнаружения генов. Типичные проводящие полимеры должны быть «легированы» для обеспечения высокой проводимости. По состоянию на 2001 год еще не был обнаружен органический полимер, который по своей природе является электропроводящим. [34] Недавно (по состоянию на 2020 год) исследователи из Института нанонауки IMDEA сообщили об экспериментальной демонстрации рациональной разработки 1D-полимеров, которые расположены вблизи квантового фазового перехода из топологически тривиального в нетривиальный класс, таким образом, имея узкую запрещенную зону. [35]