Polymer Properties Database
Conducting Polymers
useimmat orgaaniset polymeerit ovat luonteeltaan eristeitä. On kuitenkin olemassa muutamia luonnostaan johtavia polymeerejä (ICP), joissa on vuorotellen yksi-ja kaksoissidoksia polymeerirunkoa pitkin (konjugoituneita sidoksia) tai jotka koostuvat aromaattisista renkaista, kuten fenyleeni, naftaleeni, antraseeni, pyrroli ja tiofeeni, jotka ovat yhteydessä toisiinsa hiili-hiili-yksisidoksilla.
ensimmäinen polymeeri, jolla oli merkittävä johtavuus syntetisoituna, oli polyasetyleeni (polyetyyni). Sen sähkönjohtavuuden löysivät Hideki Shirakawa, Alan Heeger ja Alan MacDiarmid, jotka saivat löydöstä Nobelin kemianpalkinnon vuonna 2000. He syntetisoivat tämän polymeerin ensimmäisen kerran vuonna 1974, kun he valmistivat polyasetyleeniä hopeakalvona asetyleenistä käyttäen Ziegler-Natta-katalyyttiä. Metallisuudestaan huolimatta ensimmäisellä yrityksellä ei saatu kovin johtavaa polymeeriä. Kolme vuotta myöhemmin he kuitenkin havaitsivat, että hapettuminen halogeenihöyryllä tuottaa paljon johtavamman polyasetyleenikalvon.1 sen johtavuus oli huomattavasti suurempi kuin millään muulla aiemmin tunnetulla johtavalla polymeerillä. Tämä löytö käynnisti monien muiden sähköä johtavien orgaanisten polymeerien kehityksen.
seostamattomien, konjugoituneiden polymeerien kuten polyasetyleenin johtavuus johtuu siitä, että on olemassa metallia muistuttava johtava nauha. Konjugoituneessa polymeerissä kolme neljästä valenssielektronista muodostaa vahvoja σ-sidoksia sp2-hybridisaation kautta, jossa elctronit ovat vahvasti lokalisoituneita. Kunkin hiiliatomin jäljellä oleva pariton elektroni jää PZ-orbitaalille. Se limittyy viereisen PZ-orbitaalin kanssa muodostaen π-sidoksen. Näiden konjugoitujen pz-orbitaalien π-elektronit limittyvät muodostaen laajennetun pz-orbitaalijärjestelmän, jonka kautta elektronit voivat liikkua vapaasti (π-elektronien delokalisaatio). Seostamattomilla polymeereillä on kuitenkin melko alhainen johtavuus. Vasta kun elektroni poistetaan valenssinauhasta hapettamalla (p-doping) tai lisätään johtavaan kaistaan pelkistämällä (n-doping), polymeeri muuttuu erittäin johtavaksi. Dopingin neljä päämenetelmää ovat
-
Redox p-doping: Osa π-sidoksista hapetetaan käsittelemällä polymeeriä hapettavalla aineella, kuten jodilla, kloorilla, arseenipentafluoridilla jne.
-
Redox n-doping2: osa π-sidoksista pelkistetään käsittelemällä polymeeriä pelkistävällä aineella, kuten litiumilla ja natriumnaftaliinilla.
-
sähkökemiallinen p – ja n-doping: Doping saadaan aikaan katodisella pelkistyksellä (p) tai anodisella hapetuksella (n)
-
valokuvan aiheuttama Doping: polymeeri altistuu korkeaenergiselle säteilylle, jonka avulla elektronit hyppäävät johtavaan kaistaan. Tässä tapauksessa positiiviset ja negatiiviset varaukset lokalisoidaan muutaman joukkovelkakirjan päälle.
Doping lisää johtavuutta monin suuruusluokin. On raportoitu jopa arvoja 102 – 104 S/m. Toinen tapa lisätä johtavuutta on polymeeriketjujen mekaaninen linjaus. Polyasetyleenistä on löydetty jopa 105 S/m: n johtavuus, joka on edelleen useita magnitudeja pienempi kuin hopean ja kuparin johtavuus (108 s/m), mutta enemmän kuin riittävä elektronisiin sovelluksiin, kuten polymeeripohjaisiin transistoreihin, valodiodeihin ja lasereihin.
alla olevassa taulukossa on lueteltu eräiden yleisten konjugoitujen polymeerien ja niiden toistoyksiköiden tyypilliset johtavuudet. Todellinen johtavuus ei riipu ainoastaan polymeerin rakenteesta ja morfologiasta, vaan myös dopantin tyypistä ja sen pitoisuudesta.
| yhdiste | Toistoyksikkö | johtokyky (S cm-1) |
| trans-Polyasetyleeni |  |
103 – 105 |
| Polytiofeeni |  |
103 |
| Polypyrroli |  |
102 – 7.5 · 103 |
| Poly (p-fenyleeni) |  |
102 – 103 |
| Polyaniliini |  |
2 · 102 |
| Poly (p-fenyleenivinyleeni) |  |
2 · 104 |
