Polymer Properties Database

Leitende Polymere

Die meisten organischen Polymere sind von Natur aus Isolatoren. Es gibt jedoch einige intrinsisch leitende Polymere (ICPs), die alternierende Einfach- und Doppelbindungen entlang des Polymerrückgrats aufweisen (konjugierte Bindungen) oder die aus aromatischen Ringen wie Phenylen, Naphthalin, Anthracen, Pyrrol und Thiophen bestehen, die über Kohlenstoff-Kohlenstoff-Einzelbindungen miteinander verbunden sind.

Das erste synthetisierte Polymer mit signifikanter Leitfähigkeit war Polyacetylen (Polyethyne). Seine elektrische Leitfähigkeit wurde von Hideki Shirakawa, Alan Heeger und Alan MacDiarmid entdeckt, die für diese Entdeckung im Jahr 2000 den Nobelpreis für Chemie erhielten. Sie synthetisierten dieses Polymer erstmals im Jahr 1974, als sie Polyacetylen als silbrigen Film aus Acetylen unter Verwendung eines Ziegler-Natta-Katalysators herstellten. Trotz seines metallischen Aussehens ergab der erste Versuch kein sehr leitfähiges Polymer. Drei Jahre später entdeckten sie jedoch, dass die Oxidation mit Halogendampf einen viel leitfähigeren Polyacetylenfilm erzeugt.1 Seine Leitfähigkeit signifikant höher war als bei jedem anderen bisher bekannten leitfähigen Polymer. Diese Entdeckung leitete die Entwicklung vieler anderer leitfähiger organischer Polymere ein.

Die Leitfähigkeit von nicht dotierten, konjugierten Polymeren wie Polyacetylen beruht auf der Existenz eines Leitbandes ähnlich einem Metall. In einem konjugierten Polymer bilden drei der vier Valenzelektronen starke σ-Bindungen durch sp2-Hybridisierung, wobei Elektronen stark lokalisiert sind. Das verbleibende ungepaarte Elektron jedes Kohlenstoffatoms verbleibt in einem pz-Orbital. Es überlappt sich mit einem benachbarten pz-Orbital, um eine π-Bindung zu bilden. Die π-Elektronen dieser konjugierten pz-Orbitale überlappen sich zu einem ausgedehnten pz-Orbitalsystem, durch das sich Elektronen frei bewegen können (Delokalisierung von π-Elektronen). Nicht dotierte Polymere haben jedoch eine eher geringe Leitfähigkeit. Erst wenn ein Elektron durch Oxidation (p-Dotierung) aus dem Valenzband entfernt oder durch Reduktion (n-Dotierung) dem leitenden Band hinzugefügt wird, wird das Polymer hochleitfähig. Die vier Hauptmethoden des Dopings sind

• Redox-p-Dotierung: Einige der π-Bindungen werden oxidiert, indem das Polymer mit einem Oxidationsmittel wie Jod, Chlor, Arsenpentafluorid usw. behandelt wird.

• Redox-n-Dotierung2: Einige der π-Bindungen werden reduziert, indem das Polymer mit Reduktionsmitteln wie Lithium und Natriumnaphthalin behandelt wird.

• Elektrochemische p- und n-Dotierung: Die Dotierung erfolgt durch kathodische Reduktion (p) oder durch anodische Oxidation (n)

• Photoinduzierte Dotierung: Das Polymer wird einer hochenergetischen Strahlung ausgesetzt, die es Elektronen ermöglicht, zum leitenden Band zu springen. In diesem Fall sind die positiven und negativen Ladungen über einige Bindungen lokalisiert.

Dotierung erhöht die Leitfähigkeit um viele Größenordnungen. Es wurden Werte von bis zu 102 – 104 S / m gemeldet. Eine weitere Methode zur Erhöhung der Leitfähigkeit ist die mechanische Ausrichtung der Polymerketten. Im Falle von Polyacetylen wurden Leitfähigkeiten von bis zu 105 S / m gefunden, die immer noch um einige Größenordnungen niedriger sind als die Leitfähigkeit von Silber und Kupfer (108 S / m), aber für elektronische Anwendungen wie Transistoren auf Polymerbasis, Leuchtdioden und Laser mehr als ausreichend sind.

Die folgende Tabelle listet typische Leitfähigkeiten einiger gängiger konjugierter Polymere und ihrer Wiederholungseinheiten auf. Die tatsächliche Leitfähigkeit hängt nicht nur von der Struktur und Morphologie des Polymers ab, sondern auch von der Art des Dotierstoffs und seiner Konzentration.

Elektrische Leitfähigkeit einiger leitfähiger Polymere

Verbindung	Wiederholungseinheit	Leitfähigkeit (N)-1)
trans-Polyacetylen		103 – 105
Polythiophen		103
Polypyrrol		102 – 7.5 · 103
Poly(p-phenylen)		102 – 103
Polyanilin		2 · 102
Poly(p-phenylen vinylen)		2 · 104