خواص الکتریکی پلیمر رسانا

دسته: مقالات منتشر شده در 28 آبان 1401
نوشته شده توسط Admin بازدید: 420

خواص الکتریکی و الکتروشیمیایی پلیمرهای رسانا

پلیمرهای رسانا (CP) در مطالعات بنیادی و عملی بسیار مورد توجه قرار گرفته اند زیرا خواص الکتریکی و الکتروشیمیایی مشابهی با نیمه رساناها و فلزات سنتی دارند. CP ها از خواص عالی مانند شرایط سنتز و پردازش آسان، تنوع ساختاری و شیمیایی، رسانش قابل تنظیم و انعطاف پذیری ساختاری برخوردار هستند. پیشرفت در فناوری نانو امکان ساخت نانومتریال CP با عملکرد بهبود یافته را در کاربردهای مختلف من جمله الکترونیک، اپتوالکترونیک، حسگرها و تجهیزات انرژی فراهم کرده است. هدف از این مطالعه بررسی مکانیسم های رسانش، خواص الکتریکی و الکتروشیمیایی CP ها و بحث در مورد عواملی است که به طور قابل توجهی بر این خواص تاثیر می گذارند. اندازه و مورفولوژی مواد نیز بعنوان پارامترهای کلیدی مورد بررسی قرار می گیرند که خواص اصلی آنها را تحت تاثیر قرار می دهند. در نهایت، آخرین روند تحقیقاتی خازن ها و حسگرهای الکتروشیمیایی از طریق مباحثه بیشتر در مورد مهم ترین مطالعات گزارش شده از سال 2003 معرفی شده است.

 

در طی چند دهه گذشته، پلیمرهای رسانا (CPs) به دلیل دارا بودن پتانسیل قوی بعنوان جایگزینی مناسب برای همتایان معدنی خود بسیار جلب توجه کرده اند که منجر به تلاش های تحقیقاتی اساسی و عملی قابل توجهی شده اند. در اواخر دهه 1970، بسیاری از دانشمندان CP (یا فلزات مصنوعی) را غیر قابل کنترل و نامحلول می دانستند. از زمان کشف پلی استیلن در سال 1977 توسط هیدکی شیراکاوا، آلن مک دارمید و آلن هگر، CP های مختلف و مهم من جمله پلی پیرول (PPy)، پلی آنیلین (PANI)، پلی تیوفن (PT)، پلی (4،3-اتیلن دی اکسی تیوفن) (PEDOT)، ترانس پلی استیلن و پلی (فنیلن وینیلن) (PPV) پیوسته مورد بررسی قرار گرفته اند. به طور کلی، CP ها دارای پیوند متناوب منفرد (σ) و دوگانه (π) هستند و این سیستم های مزدوج با π خواص نوری، الکتروشیمیایی و الکتریکی/ الکترونیکی ذاتی خود را به CP ها منتقل می کنند. مشخص است پارامترهایی که خواص فیزیکی CP ها را تحت تاثیر قرار می دهند، بر طول امتزاج، درجه تبلور و برهمکنش های درون و بین زنجیره ای آنها نیز تاثیر می گذارند. CP ها نسبت به همتایان معدنی موجود خود از مزایایی همچون تنوع شیمیایی، چگالی کم، انعطاف پذیری، مقاومت سایشی، شکل و مورفولوژی با کنترل آسان و رسانش قابل تنظیم بهره مند هستند. با این حال، توسعه خواص آنها کاملا با خواص نیمه هادی های فلزی و معدنی مطابقت ندارد. در نتیجه، CP ها با سایر مواد ناهمگن اصلاح یا هیبرید شده اند تا بر محدودیت های ذاتی آنها از لحاظ حلالیت، رسانش و پایداری طولانی غلبه کنند. اتصال CP با دیگر مواد می تواند منجر به موادی با خواص مطلوب و فرصت های کاربردی جدید در حوزه های مختلف اعم از الکترونیک گرفته تجهیزات انرژی شود. محققان در این زمینه تکنیک های مختلفی را به منظور دستیابی به هیبریدها و کامپوزیت های CP با ساختارهای جدید و خواص بهبود یافته گزارش کرده اند. برای مثال نانوکامپوزیت های CP حاوی نانوگونه های کربنی مانند گرافن، نانوالیاف کربنی و نانولوله های کربنی توسعه یافته هستند. این نانوگونه های کربنی نظم ساختاری زنجیره های CP را بهبود بخشیدند و سپس، جابجایی حامل های بار را تسهیل کرده و در نتیجه، رسانش را افزایش دادند. با این حال، طیف غنی از رسانش به دست آمده است؛ از عایق تا فلز. آماده سازی موفقیت آمیز کامپوزیت های CP با پایداری مکانیکی، انعطاف پذیری و رسانش بالا اثبات کرده است که CP ها می توانند بعنوان اجزای اصلی مواد در دیودهای ساطع کننده نور، ترانزیستورها، دستگاه های الکتروکرومیک، محرک ها، خازن های الکتروشیمیایی، سلول های فتوولتائیک و حسگرها عمل کنند. مهمترین عامل پیشرفت در چنین زمینه هایی دستیابی به کنترل خواص الکتریکی یا الکتروشیمیایی CP است. در نتیجه، این مطالعه به بحث در مورد خواص الکتریکی و الکتروشیمیایی CP ها می پردازد و آخرین روند تحقیقاتی از کاربرد آنها را نیز بیان می کند.

 

مکانیسم رسانا

ساختار مولکولی ذاتی

رسانش الکتریکی یک ماده اساسا توسط ساختار الکترونیکی آن تعیین می شود. تئوری شکاف (باند) انرژی روشی مفید برای تجسم تفاوت های بین رساناها، عایق ها و نیمه رساناها است. فاصله باند نشان دهنده تفاوت انرژی بین نوارهای ظرفیت و رسانش مواد است. اگر نوار ظرفیت روی نوار رسانش همپوشانی داشته باشد، الکترون های ظرفیت آزاد هستند تا در نوار رسانش حرکت کرده و منتشر شوند؛ این یک خواص ذاتی در رساناها است. نیمه رساناها دارای شکاف های انرژی کمتری هستند که الکترون ها می توانند پس از تحریک، از آنها عبور کنند تا به نوار رسانش رسیده و حفره را پشت سر بگذارند. این کار امکان انتقال بار حفره و الکترون را فراهم می کند که آن هم به نوبه خود، هدایت جریان را امکان پذیر می سازد. شکاف باند در عایق ها بیش از حد بزرگ است؛ به طوری که الکترون ها از آن عبور نمی کنند و بنابراین، آنها رسانش الکتریسیته ندارند. با این حال، تئوری شکاف انرژی به وضوح توضیح نمی دهد که چرا CP ها که مواد آلی هستند، الکتریسیته را هدایت می کنند. بسیاری از مطالعات به خواص انتقال CP ها در سطح مولکولی پرداخته اند. در اینجا با توجه به شکل زیر، پلی استیلن بعنوان مثال برای بیان اصول رسانش در CP ها به دلیل ساختار شیمیایی ساده و رسانش الکتریکی بسیار بالا استفاده می شود.

 

شکل 1:

 The structure of polyacetylene

 

از دیدگاه شیمیدانان، خواص الکترونیکی مشترک CP های بکر وجود پیوندهای منفرد و دوگانه مزدوج در اسکلت پلیمری است. هر دو پیوند شامل یک پیوند σ متمرکز هستند که یک پیوند شیمیایی قوی را تشکیل می دهد. علاوه براین، هر پیوند دوگانه همچنین حاوی یک پیوند π متمرکز ضعیف تر است. پیوند π بین اتم های کربن اول و دوم به موقعیت بین اتم های کربن دوم و سوم منتقل می شود. پیوند π بین کربن سوم و چهارم به همین ترتیب به کربن های بعدی می رود. در نتیجه، الکترون های پیوندهای دوگانه در زنجیره کربنی حرکت می کنند (اوربیتال های pz در زنجیره پیوندهای π همپوشانی مداوم دارند و بنابراین، الکترون های پیوندهای π در اسکلت کربنی حرکت می کنند). پیوندهای دوگانه مزدوج جریان الکتریکی را امکان پذیر می کنند اما رسانش پیوندهای مزدوج مواد پلیمری را افزایش نمی دهند. موفقیت این تیم سه نفره با بهره گیری از روش های تکمیلی حاصل شده توسط شیمیدانان  فیزیکدانان به دست آمد. آنها سیستمی را بررسی کردند که در آن یک دوپانت هالوژن یک الکترون را از یک آرایش پیوند نامتمرکز حذف کرده و یک حفره ایجاد می کند. سپس، یک الکترون به الکترون مجاور رفته و آن حفره را پر می کند؛ حفره جدید ایجاد شده اجازه می دهد تا بار در زنجیره پلیمری جریان یابد. از زمان انتشار این مقاله تئوری های زیادی از رسانش CP ها ارائه شده است که اکثر آنها تغییرات در رسانش CP ها را به ایجاد تحریکات متمرکز غیرخطی (مانند سالیتون ها، پولارون ها و دوقطبی ها) بعنوان حامل های بار نسبت می دهند.