İletken polimer

İletken polimer veya kendiliğinden iletken polimerler (ICP'ler) elektriği ileten organik polimerlerdir. Bu tür bileşikler metalik iletkenliğe sahip olabilir veya yarı iletkenler olabilir. İletken polimerlerin en büyük avantajı, esas olarak dağılma özelliği ile işlenebilir olmalarıdır. İletken polimerler genellikle termoplastik değildir, yani termoform değildir. Ancak, yalıtıcı polimerler gibi, organik maddelerdir. Yüksek elektrik iletkenliği sunabilirler, ancak ticari olarak temin edilebilen diğer polimerlere benzer mekanik özellikler göstermezler. Elektriksel özellikler, organik sentez yöntemleri ve gelişmiş dispersiyon teknikleriyle ince ayar yapılabilir.
Tarihçe
Polianilin, ilk olarak 19. yüzyılın ortalarında, anilinin asidik ortamda elektrokimyasal ve kimyasal oksidasyon ürünlerini araştıran Henry Letheby tarafından tanımlanmıştır. Azaltılmış formun renksiz olduğunu ancak okside olmuş formların masmavi olduğunu belirtmiştir.
İlk yüksek iletken organik bileşikler yük aktarma kompleksleriydi. 1950'lerde, araştırmacılar polisiklik aromatik bileşiklerin halojenlerle yarı iletken yük aktarma kompleks tuzları oluşturduğunu bildirdi. 1954'te, Bell Labs ve diğer yerlerdeki araştırmacılar, 8 ohm cm kadar düşük dirençlere sahip organik yük aktarma kompleksleri bildirdi. 1970'lerin başlarında, araştırmacılar tetratiafulvalin tuzlarının neredeyse metalik iletkenlik gösterdiğini buldu, 1980'de ise süper iletkenlik özelliğini gösterdi. Yük transfer tuzları konusunda geniş araştırmalar bugün devam etmektedir. Bu bileşikler teknik olarak polimer olmasa da, bu organik bileşiklerin akımı taşıyabildiğini gösterdi. Organik iletkenler daha önce aralıklı olarak tartışılırken, bu alan özellikle BCS teorisinin keşfedilmesini takiben süperiletkenlik tahmini sayesinde ilgi gördü.
1963'te Avustralyalı BA Bolto, DE Weiss ve arkadaşları 1 ohm-cm gibi düşük dirençlere sahip polipirol türevleri raporladı. Atıfları, benzer yüksek iletkenliğe sahip oksitlenmiş poliasetilenlerin birden fazla raporunu göstermektedir. Belirgin yük aktarma kompleksleri (bazıları süper iletken dahi olabilmektedir) haricinde, organik moleküller daha önceleri yalıtkan, veya en iyi ihtimalle zayıf olarak ileten yarı iletkenler olarak kabul edilirdi. Daha sonra, DeSurville ve arkadaşları bir polianilin içinde yüksek iletkenlik olduğunu bildirdi. Aynı şekilde, 1980 yılında, Diaz ve Logan elektrot görevi görebilecek polianilin filmlerini bildirdi.
Çoğunlukla 100 nanometreden daha ufak olan kuantum aleminde çalışırken, "moleküler" elektronik işlemler toplu olarak makro ölçekte gösterilebilir. Örneğin, kuantum tünelleme, negatif direnç, fonon destekli sıçrama ve polaronlar. 1977'de Alan J. Heeger, Alan MacDiarmid ve Hideki Shirakawa, oksitlenmiş iyot katkılı poliasetilende benzer yüksek iletkenlik olduğunu bildirdi. Bu araştırma için, "iletken polimerlerin keşfi ve geliştirilmesi için" 2000 Nobel Kimya Ödülü'ne layık görüldü. Poliasetilenin kendisi pratik uygulamalar bulamadı, ancak bilim adamlarının dikkatini çekti ve alanın hızlı büyümesini teşvik etti. 1980'lerin sonlarından bu yana, organik ışık yayan diyotlar (OLED'ler) iletken polimerlerin önemli bir uygulaması olarak ortaya çıkmıştır.
Türleri
Lineer omurga "polimer karaları" (poliasetilen, polipirol, poliindol ve polianilin) ve bunların kopolimerleri, iletken polimerlerin ana sınıfıdır. Poli (p-fenilen vinilen) (PPV) ve çözünür türevleri, prototipik elektrominesans yarı iletken polimerler olarak ortaya çıkmıştır. Günümüzde poli (3-alkiltiyofenler) güneş pilleri ve transistörler için arketipik malzemelerdir.
Aşağıdaki tablo, bileşimlerine göre bazı organik iletken polimerler sunmaktadır. İyi çalışılan sınıflar kalın olarak yazılmıştır ve daha az çalışılan sınıflar italiktir.
Sentez
İletken polimerler birçok yöntemle hazırlanır. İletken polimerlerin çoğu, monosiklik öncüllerin oksidatif eşleşmesiyle hazırlanır. Bu tür reaksiyonlar dehidrojenasyon gerektirir:
nH[X]H - H[X]nH + 2(n1)H+ + 2(n1) e-
Çoğu polimerin düşük çözünürlüğü zorluklar ortaya çıkarmaktadır. Bazı araştırmacılar, çözünürlüğü artırmak için monomerlerin bir kısmına veya tümüne çözünürlüğü arttırıcı fonksiyonel gruplar ekler. Diğerleri, sudaki nanoyapılar ve yüzey aktif cismi ile stabilize edilmiş iletken polimer yayılımlarının oluşumu yoluyla bunu ele alır. Bunlar arasında polianilin nanolifleri ve PEDOT: PSS bulunur. Birçok durumda, iletken polimerlerin moleküler ağırlığı, polietilen gibi geleneksel polimerlerden daha düşüktür. Bununla birlikte, bazı durumlarda, istenen özelliklerin elde edilmesi için moleküler ağırlığın yüksek olmasına gerek yoktur.
İletken polimerleri sentezlemek için kullanılan iki ana yöntem vardır, kimyasal sentezi ve elektro (ko) polimerizasyon. Kimyasal sentez, basit monomerlerin ısıtma, presleme, ışığa maruz kalma ve katalizör gibi çeşitli koşullar altına yerleştirilmesiyle monomerlerin karbon-karbon bağlarının bağlanması anlamına gelir. Avantajı, yüksek verimlidir. Bununla birlikte, son üründe olası birçok kirlilik vardır. Elektro (ko) polimerizasyon, reaktörler veya monomerler içeren üç elektrotun (referans elektrot, karşı elektrot ve çalışma elektrotu) çözeltiye eklenmesi anlamına gelir. Elektrotlara voltaj uygulanarak, polimerin sentezlenmesi için redoks reaksiyonu desteklenir. Elektro (ko) polimerizasyon ayrıca döngüsel voltaj ve sabit voltaj uygulanarak Döngüsel Voltametri ve Potansiyostatik yöntemle ayrılabilir. Electro (ko) polimerizasyonun avantajı, ürünlerin yüksek saflığıdır. Ancak yöntem bir seferde sadece biraz ürün sentezleyebilir.
Elektriksel iletkenliğin moleküler temeli
Bu gibi polimerlerin iletkenliği çeşitli işlemlerin sonucudur. Örneğin polietilen gibi geleneksel polimerlerde, değerlik elektronları sp3 hibritlenmiş kovalent bağlarla bağlıdır. Bu "sigma bağlı elektronlar" düşük hareketliliğe sahiptir ve malzemenin elektriksel iletkenliğine katkıda bulunmazlar. Bununla birlikte, birleşik (konjuge) materyallerde durum tamamen farklıdır. İletken polimerlerin omurgaları, devam eden sp2 hibritli karbon merkezlere sahiptir. Her merkezde bir değerlik elektron, diğer üç sigma bağına dik olan pz yörüngesinde bulunur. Tüm pz yörüngeleri, birbirleriyle birleşik, geniş çaplı bir şekilde ayrılmış orbital kümesi ile birleşirler. Bu delokalize yörüngelerdeki elektronlar, malzeme bu delokalize elektronların bir kısmını çıkartan oksidasyon ile "katkılandığında" yüksek hareketliliğe sahip olur. Böylece, birleşik p-orbitalleri tek boyutlu bir elektronik bant oluşturur ve bu bant içindeki elektronlar kısmen boşaltıldığında hareketli hale gelir. İletken polimerlerin bant yapıları, sıkı bağlama modeliyle kolayca hesaplanabilir. Prensip olarak bu aynı malzemeler, başka türlü doldurulmamış bir bant üzerine elektron ekleyen indirgeme ile katkılanabilir. Uygulamada, birçok organik iletken, p tipi malzemeler verecek şekilde oksidatif olarak katlanmaktadır. Organik iletkenlerin redoks katkılanması, silikon yarı iletkenlerin katkılanmasına benzer, silisyum atomlarının küçük bir kısmı, n tipi ve p-tipi yarı iletkenler oluşturmak için elektron bakımından zengin, örneğin fosfor veya elektron-fakir, örneğin bor, atomlar ile değiştirilir.
Tipik olarak iletken polimerlerin "katkılanması", materyali oksitlemeyi veya indirgemeyi içerse de, bir protik çözücü ile ilişkili iletken organik polimerler "kendiliğinden katkılanır" olabilir.
Katkısız birleşik polimerlerin durumu yarı iletken veya yalıtkandır. Bu tür bileşiklerde, bant aralığı> 2 eV olabilir, bu termik olarak etkinleştirilen iletkenlik için çok büyüktür. Bu nedenle, politiyofenler, poliasetilenler gibi katkılanmamış birleşik polimerler yalnızca yaklaşık 10 −10 ile 10 −8 S/cm elektrik iletkenliğine sahiptir. Çok düşük katkılama seviyelerinde bile (<% 1), elektriksel iletkenlik, büyüklük derecesini yaklaşık 0.1 S/cm değerlerine kadar yükseltir. İletken polimerlerin daha sonra katkılanması, farklı polimerler için iletkenliğin 0.1-10 kS/cm civarında bir doygunluğuna yol açacaktır. Şimdiye kadar rapor edilen en yüksek değerler, yaklaşık 80 kS/cm onaylanmış değerlere sahip, streç odaklı poliasetilen'in iletkenliği içindir. Poliasetilen içindeki pi-elektronlar zincir boyunca delokalize edilmiş olsalar da, bozulmamış poliasetilen bir metal değildir. Poliasetilen, sırasıyla 1.44 ve 1.36 Å uzunluğa sahip alternatif tek ve çift bağlara sahiptir. Katkılama sonrasında, iletkenlik artışlarında bağ değişimi azalır. İletkenlikteki katkılama olmayan artışlar ayrıca bir alan etkili transistörde (organik FET veya OFET) ve ışınlama ile gerçekleştirilebilir. Bazı malzemeler ayrıca inorganik amorf yarı iletkenlerde görülenlere benzer negatif diferansiyel direnç ve voltaj kontrollü "anahtarlama" sergiler.
Yoğun araştırmalara rağmen, morfoloji, zincir yapısı ve iletkenlik arasındaki ilişki hala tam olarak anlaşılamamıştır. Genel olarak, iletkenliğin yüksek kristallilik derecesi ve zincirlerin daha iyi hizalanması için daha yüksek olması gerektiği varsayılmaktadır, ancak bunun polianilin için doğrulanamaması ve sadece son zamanlarda amorf olan PEDOT için doğrulanması gerektiği kabul edilmiştir.
Özellikler ve uygulamalar
Kötü işlenebilirliklerinden dolayı, iletken polimerlerin sadece birkaç büyük ölçekli uygulaması vardır. Antistatik malzemelerde ümit verirler ve ticari ekranlara ve bataryalara dahil edildiler, ancak üretim maliyetleri, malzeme tutarsızlıkları, toksisite, çözücülerde zayıf çözünürlük ve doğrudan erime işleminin yetersizliği nedeniyle sınırlamalar vardır. Makaleler aynı zamanda organik güneş pillerinde, elektronik devrelerin basılmasında, organik ışık yayan diyotlarda, aktüatörlerde, elektrokromizmada, süper kapasitörlerde, kimyasal sensörlerde ve biyosensörlerde, esnek şeffaf ekranlarda, elektromanyetik kalkanlama ve muhtemelen popüler şeffaf iletken indiyum kalay oksitin yerine geçeceği konusunda umut verici olduklarını gösteriyor. Bir başka kullanım alanı mikrodalga -emici kaplamalar, özellikle hayalet uçaklardaki radar emici kaplamalar içindir. İletken polimerler, daha iyi elektriksel ve fiziksel özelliklere ve daha düşük maliyetlere sahip, giderek işlenebilir malzemelere sahip yeni uygulamalarda hızla cazibe kazanmaktadır. Nano yapılı iletken polimer formları, bu alanı daha yüksek yüzey alanı ve daha iyi dağılabilirlik özellikleri ile güçlendirmektedir. Araştırma raporları, nanoyapılı iletken polimerlerin nano elyaf ve nanospong formunda olduğunu, nanoyapılı olmayan muadillerine kıyasla önemli ölçüde geliştirilmiş kapasitans değerleri gösterdiğini göstermiştir.
Kararlı ve tekrar üretilebilir dispersiyonların mevcudiyeti ile PEDOT ve polianilin, bazı büyük ölçekli uygulamalar kazanmıştır. PEDOT (poli (3,4-etilendioksitiyofen)), esas olarak antistatik uygulamalarda ve PEDOT: PSS (PSS = polistiren sülfonik asit) dağılımları şeklinde saydam bir iletken katman olarak kullanılırken, polianilin baskılı devre kartı imalatı için yaygın olarak kullanılır - bakırın korozyondan korunması ve lehimlenebilirliğinin önlenmesi için son ürün olarak. Ayrıca poliindole, yüksek redoks aktivitesi, ısıl kararlılığı, ile rakibi polianilin ve poliprolden daha yavaş bozunma özellikleri nedeniyle çeşitli uygulamalar için dikkat çekmeye başlamıştır.
Elektriksel ışıma
Elektriksel ışıma, elektrik akımı tarafından uyarılan ışık yayılımıdır. Organik bileşiklerde elektriksel ışıma, Bernanose ve iş arkadaşlarının ilk kez 1950'lerin başında, akridin orange ve kinakrin kristalimsi ince filmlerinde elektriksel ışıma ürettiğinden beri bilinmektedir. 1960 yılında, Dow Chemical'daki araştırmacılar, katkılama kullanarak AC güdümlü elektriksel ışıyan hücreler geliştirdi. Bazı durumlarda, iletken bir organik polimer filmin ince bir katmanına bir voltaj uygulandığında benzer ışık emisyonu gözlenir. Elektriksel ışıma aslen çoğunlukla akademik ilgiye sahipken, modern iletken polimerlerin iletkenliğinin artması, pratik miktarda ışık üretmek için cihazdan düşük voltajlarda yeterli güç geçirilebileceği anlamına gelir. Bu özellik organik LED'ler, güneş panelleri ve optik amplifikatörler kullanılarak düz panel ekranların geliştirilmesine yol açmıştır.
Uygulamaların önündeki engeller
Çoğu iletken polimer oksidatif katkılama gerektirdiğinden, ortaya çıkan durumun özellikleri çok önemlidir. Bu tür malzemeler, organik çözücüler ve sudaki çözünürlüğünü azaltan ve dolayısıyla işlenebilirliklerini azaltan, tuz benzeridir (polimer tuzu). Ayrıca, yüklü organik omurga genellikle atmosferik neme karşı kararsızdır. Birçok polimer için zayıf işlenebilirlik, sentezi daha da karmaşıklaştırabilen çözündürücü maddelerin veya ikame edicilerin kullanılmasını gerektirir.
Deneysel ve teorik termodinamik kanıtlar, iletken polimerlerin tamamen ve esasen çözünmez olduklarını, böylece sadece dağılımla işlenebileceklerini göstermektedir.
Yönelimler
En yeni vurgu, organik ışık yayan diyotlar ve organik polimer güneş pilleri üzerinedir. Organik Elektronik Birliği, organik yarı iletkenlerin uygulamalarını teşvik eden uluslararası bir platformdur. Gömülü ve geliştirilmiş elektromanyetik girişim (EMI) ve elektrostatik boşalma (ESD) korumalı iletken polimer ürünleri hem prototiplere hem de ürünlere yol açmıştır. Örneğin, Auckland Üniversitesi Polimer Elektronik Araştırma Merkezi, basit, hızlı ve hassas gen tespiti için polimerler, foto lüminesans polimerler ve inorganik nanokristaller (kuantum noktaları) iletkenliği üzerine bir dizi yeni DNA sensör teknolojisi geliştiriyor. Tipik iletken polimerler, yüksek iletkenlik sağlamak için "katkılı" olmalıdır. 2001 itibarıyla, kendinden elektriksel olarak iletken organik bir polimer keşfedilmeyi beklemektedir.