Введение

Органические полимеры, проводящие электричество, области применения проводящих полимеров. Проводящие полимеры или, точнее, внутренне проводящие полимеры (ICPs) – это органические полимеры, проводящие электричество. Такие соединения могут обладать металлической проводимостью или быть полупроводниками. Основное преимущество проводящих полимеров заключается в их простоте обработки, преимущественно посредством диспергирования. Проводящие полимеры, как правило, не являются термопластами, то есть не поддаются термоформованию. Однако, как и изолирующие полимеры, они представляют собой органические материалы. Они могут демонстрировать высокую электропроводность, но не обладают аналогичными механическими свойствами, характерными для других коммерчески доступных полимеров. Электрические свойства можно точно настраивать, используя методы органического синтеза и передовые техники диспергирования. Первыми высокопроводящими органическими соединениями стали комплексы переноса заряда. В 1950-х годах исследователи сообщили о формировании полупроводящих солей с переносом заряда полициклическими ароматическими соединениями и галогенами. В начале 1970-х годов было показано, что соли тетратиафулвалена обладают почти металлической проводимостью, а в 1980 году была продемонстрирована сверхпроводимость. Активные исследования солей переноса заряда продолжаются и сегодня. Хотя эти соединения технически не являлись полимерами, это указывало на возможность переноса тока органическими соединениями. Органические проводники ранее обсуждались эпизодически, но область получила значительный импульс благодаря предсказанию сверхпроводимости после открытия теории БКШ. В 1963 году австралийские ученые Б. А. Болто, Д. Э. Вайс и их коллеги сообщили о производных полипиррола с удельным сопротивлением до 1 ом·см. Ссылки и многочисленные отчеты подтверждают аналогичную высокую проводимость окисленных полиацетиленов. За исключением примечательных комплексов переноса заряда (некоторые из которых даже являются сверхпроводниками), органические молекулы ранее считались изоляторами или, в лучшем случае, слабопроводящими полупроводниками. Впоследствии ДеСурвиль и его коллеги сообщили о высокой проводимости полианилина. Аналогично, в 1980 году Диас и Логан сообщили о пленках полианилина, которые могут использоваться в качестве электродов. Хотя эти процессы в основном протекают в квантовой области, менее 100 нанометров, "молекулярные" электронные процессы могут коллективно проявляться в макромасштабе. Примеры включают квантовое туннелирование, отрицательное сопротивление, скачкообразную проводимость с участием фононов и поляроны. В 1977 году Алан Дж. Хигер, Алан МакДиармид и Хидеки Ширакава сообщили о сопоставимой высокой проводимости окисленного полиацетилена, допированного йодом. За это исследование они были удостоены Нобелевской премии по химии в 2000 году "за открытие и разработку проводящих полимеров". Сам полиацетилен не нашел практического применения, но привлек внимание ученых и способствовал быстрому развитию этой области.

Типы

Линейные "полимерные черные" (полиацетилен, полипиррол, полииндол и полианилин) и их сополимеры являются основным классом проводящих полимеров. Поли(п-фениленвинилен) (ППВ) и его растворимые производные стали прототипичными электролюминесцентными полупроводниковыми полимерами. В настоящее время поли(3-алкилтиофены) являются архетипичными материалами для солнечных элементов и транзисторов, работающих при постоянном напряжении. Преимуществом электро(со)полимеризации является высокая чистота получаемых продуктов, однако данный метод позволяет синтезировать лишь небольшое количество продуктов одновременно.

Молекулярная основа электропроводности

Проводность таких полимеров обусловлена несколькими процессами. Например, в традиционных полимерах, таких как полиэтилен, валентные электроны связаны в sp3-гибридизированных ковалентных связях. Такие "сигма-связывающие электроны" обладают низкой подвижностью и не вносят вклад в электрическую проводимость материала. Однако в конъюгированных материалах ситуация кардинально иная. Проводящие полимеры имеют основу из последовательных sp2-гибридизированных углеродных центров. Один валентный электрон на каждом центре находится в pz-орбитали, ортогональной к другим трем сигма-связям. Все pz-орбитали объединяются друг с другом, образуя молекулярно-делокализованный набор орбиталей. Электроны в этих делокализованных орбиталях приобретают высокую подвижность при "допировании" материала окислением, которое удаляет часть этих делокализованных электронов. Таким образом, конъюгированные p-орбитали формируют одномерную электронную зону, и электроны в этой зоне становятся подвижными при ее частичном заполнении. Зонную структуру проводящих полимеров можно легко рассчитать с помощью модели сильной связи. В принципе, те же материалы могут быть допированы восстановлением, которое добавляет электроны в изначально незаполненную зону. На практике большинство органических проводников окисляются для получения p-типа материалов. Редокс-допирование органических проводников аналогично допированию кремниевых полупроводников, при котором небольшая доля атомов кремния заменяется атомами, богатыми электронами (например, фосфором), или бедными электронами (например, бором), для создания полупроводников n- и p-типа соответственно. Хотя обычно "допирование" проводящих полимеров включает окисление или восстановление материала, проводящие органические полимеры, связанные с протонным растворителем, также могут быть "самодопированными". Недопированные конъюгированные полимеры являются полупроводниками или изоляторами. В таких соединениях ширина запрещенной зоны может превышать 2 эВ, что слишком велико для тепловой активации проводимости. Поэтому недопированные конъюгированные полимеры, такие как политиофены и полиацетилены, имеют низкую электропроводность, порядка 10−10–10−8 С/см. Даже при очень низком уровне допирования (< 1%) электрическая проводимость увеличивается на несколько порядков, достигая значений около 0,1 С/см. Дальнейшее допирование проводящих полимеров приводит к насыщению проводимости при значениях около 0,1–10 кС/см (10–1000 С/м) для различных полимеров. Наивысшие значения, зарегистрированные на данный момент, относятся к проводимости растянутого полиацетилена, подтвержденные значения составляют около 80 кС/см (8 МС/м). Хотя π-электроны в полиацетилене делокализованы вдоль цепи, исходный полиацетилен не является металлом. Полиацетилен имеет чередующиеся одинарные и двойные связи длиной 1,44 и 1,36 Å соответственно. При допировании изменение длины связей уменьшается, что приводит к увеличению проводимости. Увеличение проводимости без допирования также может быть достигнуто в полевом транзисторе (органическом 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 все еще недостаточно изучена, поскольку они в основном аморфны.

Свойства и применения

Проводящие полимеры демонстрируют перспективность в антистатических материалах, гибких прозрачных дисплеях, электромагнитной экранизации и, возможно, в качестве замены популярного прозрачного проводника – оксида индия-олова. Другое применение – для покрытий, поглощающих микроволны, в частности, радиолокационных поглощающих покрытий на самолетах-невидимках. Проводящие полимеры быстро набирают популярность в новых областях применения благодаря все более технологичным материалам с улучшенными электрическими и физическими свойствами и сниженной стоимостью. Новые наноструктурированные формы проводящих полимеров, в частности, расширяют эту область благодаря большей площади поверхности и лучшей диспергируемости. Исследования показали, что наноструктурированные проводящие полимеры в форме нановолокон и наногубок демонстрируют значительно улучшенные значения емкости по сравнению с их не наноструктурированными аналогами. С появлением стабильных и воспроизводимых дисперсий, PEDOT и полианилин нашли применение в крупномасштабном производстве. В то время как PEDOT (поли(3,4-этилендиокситиофен)) в основном используется в антистатических приложениях и в качестве прозрачного проводящего слоя в виде дисперсий PEDOT:PSS (PSS = полистиролсульфоновая кислота), полианилин широко применяется при производстве печатных плат – в качестве финишного покрытия для защиты меди от коррозии и предотвращения ее паяемости. Кроме того, полииндол также начинает привлекать внимание для различных применений благодаря высокой окислительно-восстановительной активности и термической стабильности.

Электролюминесценция

Электролюминесценция – это излучение света, стимулированное электрическим током. В органических соединениях электролюминесценция известна с начала 1950-х годов, когда Бернаноз и его коллеги впервые наблюдали электролюминесценцию в кристаллических тонких плёнках акридинового оранжевого и квинакрина. В 1960 году исследователи из Dow Chemical разработали электролюминесцентные ячейки, работающие от переменного тока, с использованием легирования. В некоторых случаях аналогичное свечение наблюдается при приложении напряжения к тонкому слою проводящего органического полимерного покрытия. Хотя электролюминесценция изначально представляла в основном академический интерес, повышенная проводимость современных проводящих полимеров позволяет пропускать через устройство достаточно мощности при низком напряжении для генерации практически полезного количества света. Это свойство привело к разработке плоских дисплеев на основе органических светодиодов, солнечных панелей и оптических усилителей.

Препятствия для применения

Поскольку большинство проводящих полимеров требуют окислительного допинга, свойства получаемого состояния имеют решающее значение. Такие материалы имеют солеподобную структуру (полимерные соли), что снижает их растворимость в органических растворителях и воде и, следовательно, затрудняет их обработку. Кроме того, заряженная органическая цепь часто нестабильна при воздействии атмосферной влаги. Для улучшения технологичности многих полимеров требуется введение заместителей, повышающих растворимость, что может дополнительно усложнить синтез. Экспериментальные и теоретические термодинамические данные указывают на то, что проводящие полимеры могут быть полностью и принципиально нерастворимы, что допускает их обработку только методом диспергирования. Ассоциация органической электроники – это международная платформа для продвижения применения органических полупроводников. Продукты из проводящих полимеров со встроенной и улучшенной защитой от электромагнитных помех (EMI) и электростатического разряда (ESD) привели к созданию как прототипов, так и готовых изделий. Например, Исследовательский центр полимерной электроники при Университете Окленда разрабатывает ряд новых технологий датчиков ДНК, основанных на проводящих полимерах, фотолюминесцентных полимерах и неорганических нанокристаллах (квантовых точках) для простого, быстрого и чувствительного обнаружения генов. Типичные проводящие полимеры необходимо "допировать" для достижения высокой электропроводности. По состоянию на 2001 год, органический полимер, обладающий изначально присущей электропроводностью, еще не был открыт. Недавно (по состоянию на 2020 год) исследователи из Института нанонауки IMDEA сообщили об экспериментальной демонстрации рациональной разработки 1D-полимеров, расположенных вблизи квантового фазового перехода от топологически тривиального к нетривиальному классу, что обеспечивает наличие узкой запрещенной зоны.