Base de données des propriétés des polymères

Polymères conducteurs

La plupart des polymères organiques sont des isolants par nature. Cependant, il existe quelques polymères intrinsèquement conducteurs (ICP) qui ont des liaisons simples et doubles alternées le long du squelette polymère (liaisons conjuguées) ou qui sont composés de cycles aromatiques tels que le phénylène, le naphtalène, l’anthracène, le pyrrole et le thiophène qui sont reliés les uns aux autres par des liaisons simples carbone-carbone.

Le premier polymère à conductivité significative synthétisé était le polyacétylène (polyéthyne). Sa conductivité électrique a été découverte par Hideki Shirakawa, Alan Heeger et Alan MacDiarmid qui ont reçu le prix Nobel de chimie en 2000 pour cette découverte. Ils ont synthétisé ce polymère pour la première fois en 1974, lorsqu’ils ont préparé du polyacétylène sous forme de film argenté à partir d’acétylène, à l’aide d’un catalyseur Ziegler-Natta. Malgré son aspect métallique, la première tentative n’a pas donné de polymère très conducteur. Cependant, trois ans plus tard, ils ont découvert que l’oxydation par la vapeur d’halogène produit un film de polyacétylène beaucoup plus conducteur.1 Sa conductivité était significativement plus élevée que tout autre polymère conducteur connu précédemment. Cette découverte a commencé le développement de nombreux autres polymères organiques conducteurs.

La conductivité des polymères conjugués non dopés tels que le polyacétylène est due à l’existence d’une bande conductrice similaire à un métal. Dans un polymère conjugué, trois des quatre électrons de valence forment de fortes liaisons σ par hybridation sp2 où les elctrons sont fortement localisés. L’électron non apparié restant de chaque atome de carbone reste dans une orbitale pz. Il chevauche une orbitale pz voisine pour former une liaison π. Les électrons π de ces orbitales pz conjuguées se chevauchent pour former un système orbital pz étendu à travers lequel les électrons peuvent se déplacer librement (délocalisation des électrons π). Cependant, les polymères non dopés ont une conductivité plutôt faible. Ce n’est que lorsqu’un électron est éliminé de la bande de valence par oxydation (dopage p) ou est ajouté à la bande conductrice par réduction (dopage n) que le polymère devient hautement conducteur. Les quatre principales méthodes de dopage sont

• Dopage redox p: Certaines des liaisons π sont oxydées en traitant le polymère avec un agent oxydant tel que l’iode, le chlore, le pentafluorure d’arsenic, etc.

• Redox n-doping2: Certaines des liaisons π sont réduites en traitant le polymère avec des agents réducteurs tels que le lithium et la naphtaline de sodium.

• Dopage électrochimique p et n : Le dopage est obtenu par réduction cathodique (p) ou par oxydation anodique (n)

• Dopage photo-induit: Le polymère est exposé à un rayonnement de haute énergie qui permet aux électrons de sauter dans la bande conductrice. Dans ce cas, les charges positives et négatives sont localisées sur quelques liaisons.

Le dopage augmente la conductivité de plusieurs ordres de grandeur. Des valeurs allant jusqu’à 102 – 104 S/m ont été rapportées. Une autre méthode pour augmenter la conductivité est l’alignement mécanique des chaînes polymères. Dans le cas du polyacétylène, des conductivités allant jusqu’à 105 S/m ont été trouvées, ce qui est encore plusieurs grandeurs inférieures à la conductivité de l’argent et du cuivre (108 S/m) mais plus que suffisante pour des applications électroniques telles que les transistors à base de polymères, les diodes électroluminescentes et les lasers.

Le tableau ci-dessous répertorie les conductivités typiques de certains polymères conjugués courants et de leurs unités de répétition. La conductivité réelle dépend non seulement de la structure et de la morphologie du polymère, mais également du type de dopant et de sa concentration.

Conductivité électrique de certains Polymères conducteurs

Composé	Unité répétitive	Conductivité (S cm-1)
trans-Polyacétylène		103 – 105
Polythiophène		103
Polypyrrole		102 – 7.5 · 103
Poly (p-phénylène)		102 – 103
Polyaniline		2 · 102
Poly (p-phénylène vinylène)		2 · 104