Konduktiva polimero: Malsamoj inter versioj

15 617 bitokojn aldonis ,  antaŭ 2 monatoj
Molekula bazo de elektra kondukteco + aliaj sekcioj
(Adaptita el la angla artikolo)
Etikedo: Disambiguation links
 
(Molekula bazo de elektra kondukteco + aliaj sekcioj)
Etikedo: Disambiguation links
{{about|bulk applications of conductive polymers|single-molecule electronics|Molecular scale electronics}}
 
[[File:ConductivePoly.png|400px|thumb|Kemiaj strukturoj de iuj konduktivaj polimeroj. De supre maldekstra dekstren: [[polietino]]; [[Poli(p-fenileno vinileno)|polifenileno vinileno]]; [[polipirolo]] (X = NH) kaj [[politiofeno]] (X = S); and [[polianilino]] (X = NH) and [[Poli(p-fenileno sulfido)|polifenileno sulfido]] (X = S).]]
 
'''Konduktiva polimero''', aŭ pli precize, '''esence konduktiva polimero (IKP)''', estas [[organika polimero]] kiu [[Elektra konduktivo|konduktas]] [[elektron]].<ref name="Inzelt-introduction">{{ cite book | series = Monographs in Electrochemistry | title = Conducting Polymers: A New Era in Electrochemistry | first = György | last = Inzelt | editor-first = F. | editor-last = Scholz | publisher = Springer | date = 2008 | pages = 1–6 | chapter = Chapter 1: Introduction | isbn = 978-3-540-75929-4 | chapter-url = https://books.google.com/books?id=4rFDAzo5lPQC&lpg=PA264}}</ref><ref>Conducting Polymers, Editor: Toribio Fernandez Otero, Royal Society of Chemistry, Cambridge 2016, https://pubs.rsc.org/en/content/ebook/978-1-78262-374-8</ref> Tia kombinaĵo eble havas metalan konduktivon aŭ povas esti [[duonkonduktanto]]. La plej grava avantaĝo de konduktiva polimero estas procedeblo, ĉefe per [[disperso]]. Konduktiva polimero ĝenerale ne estas [[termoplasto]], t.e. ĝi ne estas termoformebla. Sed, kiel izolivaj polimeroj, ĝi estas organika materialo. Ili povas havi altan elektran konduktivon, sed ne havas similajn propraĵojn al aliaj komerce disponeblaj polimeroj. La elektraj propraĵoj estas adapteblaj per la metodoj de [[organika sintezo]]<ref name=Ullmann>{{cite book | doi = 10.1002/14356007.a21_429 | chapter = Polymers, Electrically Conducting | title = Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry | date = 2000 | last1 = Naarmann | first1 = Herbert | isbn = 3527306730}}</ref> kaj per specialaj dispersaj teknikoj.<ref name=nalwa/>
 
==Historio==
 
==Tipoj==
LinispinajKun liniaj ĉefĉenoj, "polimeraj nigraĵoj" ([[polietino]], [[polipirolo]], poliindolo kaj [[polianilino]]) kaj iliaj kunpolimeroj estas la ĉefa klaso de konduktivaj polimeroj. [[Poli(p-fenilena vinileno)]] (PPV) kaj ĝiaj solveblaj derivaĵoj iĝis la prototipaj [[elektrolumineskaj]] duonkonduktivaj polimeroj. Hodiaŭ (2021), poli(3-alkiltiofenoj) estas la plej tipaj materialoj por [[Sunĉelo|sunĉelojl]] kaj [[Transistoro]]j.<ref name=Ullmann/>
 
La jena tabelo prezentas iujn organikajn konduktivajn polimerojn laŭ ilia konsisto. '''La bone studitaj klasoj aperas en grasa tiparo''' kaj ''la malpli studitaj en kursiva tiparo''.
 
==Molekula bazo de elektra kondukteco==
La elektra kondukteco de tiaj polimeroj estas la rezulto de pluraj procedoj. Ekzemple, en la kutimaj polimeroj, ekzemple [[polieteno]]j, la valentaj elektronoj ligiĝas en sp<sup>3</sup> hibridaj [[kovalenta ligo|kovalentaj ligoj]]. Tiaj "sigma-ligaj elektronoj" havas malaltan moveblecon kaj ne kontribuas al la elektra kondukteco de la materio. Tamen, en [[konjugaj materialoj]], la situacio estas tute malsama. Konduktivaj polimeroj havas ĉefĉenon de kontinua intertuŝiĝantaj sp<sup>2</sup> hibridaj karbonaj centroj. Unu valenta elektrono ĉe ĉiu centro situas en p<sub>z</sub> orbitalo, kiu estas orta al la aliaj tri sigma-ligoj. Ĉiuj p<sub>z</sub> orbitaloj
kombiniĝas, unu kun aliaj, al molekulvasta delokalizata orbitalaro. La elektronoj en tiaj orbitaloj havas altan moveblecon kiam la materio estas dopita per oksidigo, kiu forigas iujn tiajn elektronojn. Tiel, la [[Konjugita sistemo|konjugitaj p-orbitaloj]] formas unu-dimensia [[elektrona benda strukturo|elektrona bendo]], kaj la elektronoj en ĉi tiu bendo iĝas moviĝema kiam ĝi estas parte malplena. La bendaj strukturoj de konduktivaj polimeroj estas facile kalkuleblaj per [[strikta liga modelo]]. Principe, tiuj samaj materioj estas dopeblaj per redukto, kiu aldonas elektronojn al aliokaze neplena bendo. Praktike, plejaj organikaj konduktiloj estas dopitaj oksidige por doni p-tipajn materiojn. Redokse dopi organikajn konduktilojn estas analoge al dopi siliciajn duonkonduktantojn, tiel malgranda frakcio de siliciaj atomoj anstataŭiĝas (ekzemple) de elektron-riĉa, [[fosforo]], aŭ elektron-malriĉa, [[boro]], atomoj por krei n-tipajn kaj p-tipajn duonkonduktantojn, respektive.
 
Kvankam tipe dopi konduktivajn polimerojn implikas oksidigi aŭ redukti la materion, konduktivaj organikaj polimeroj asociitaj kun [[protona solvanto]] eble estas memdopitaj.
 
Nedopitaj konjugitaj polimeroj estas duonkonduktantoj aŭ izoliloj. En tiaj kombinaĵoj, la energia breĉo povas esti > 2 eV, kiu estas tro granda por termoaktivigita konduktado. Tial, nedopitaj konjugitaj polimeroj, ekzemple politiofenoj, polietinoj havas malaltan konduktivon ĉirkaŭ 10<sup>−10</sup> ĝis 10<sup>−8</sup> S/cm. Eĉ kun tre malalta nivelo de dopado (< 1%),
elektra konduktado pliiĝas je kelkaj ordoj de grando ĝis valoroj ĉirkaŭ 0.1 S/cm. Sekvanta dopado de la konduktivaj polimeroj rezultigos saturadon de la konduktivo je valoroj ĉirkaŭ 0.1–10 kS/cm por diversaj polimeroj. La plej lataj valoroj raportitaj ĝis nun (2021) estas tiuj por la konduktivo de streĉorientita polieteno, kun valoroj ĉirkaŭ 80 kS/cm.<ref name="ReferenceA">{{cite journal |doi= 10.1038/347539a0 |title=Light-emitting diodes based on conjugated polymers|date=1990|last1=Burroughes|first1=J. H.|last2= Bradley|first2=D. D. C.|last3=Brown|first3=A. R.|last4=Marks|first4=R. N.|last5=MacKay|first5=K.|last6=Friend|first6=R. H. |last7=Burns|first7=P. L.|last8=Holmes|first8=A. B.|journal=Nature|volume=347|pages=539–541|issue=6293|bibcode=1990Natur.347..539B|s2cid=43158308}}</ref><ref>{{cite journal|doi=10.1103/RevModPhys.60.781|title=Solitons in conducting polymers|date=1988|last1=Heeger|first1=A. J.|last2=Schrieffer|first2=J. R.|last3=Su|first3=W. -P.|journal=Reviews of Modern Physics|volume=60|pages=781–850|last4= Su |first4= W.|bibcode=1988RvMP...60..781H|issue=3}}</ref><ref>{{cite book|last=Heeger|first= A. J.|chapter = Nature of the primary photo-excitations in poly(arylene-vinylenes): Bound neutral excitons or charged polaron pairs|title= Primary photoexcitations in conjugated polymers: Molecular excitons versus semiconductor band model|editor-link=Niyazi Serdar Sarıçiftçi|editor-last =Sarıçiftçi|editor-first = N. S.|publisher = World Scientific|location= Singapore|date = 1998|isbn=9789814518215|chapter-url = https://books.google.com/books?id=U5jsCgAAQBAJ&pg=PA20}}</ref><ref>Handbook of Organic Conductive Molecules and Polymers; Vol. 1–4, edited by H.S. Nalwa (John Wiley & Sons Ltd., Chichester, 1997).</ref><ref name=h1>{{cite book|title=Handbook of Conducting Polymers|volume=1,2| editor1= Skotheim, T.A.|editor2=Elsenbaumer, R.L.|editor3=Reynolds, J.R. |publisher=Marcel Dekker|place=New York|year= 1998}}</ref><ref>{{cite journal|doi=10.1126/science.258.5087.1474|title=Photoinduced Electron Transfer from a Conducting Polymer to Buckminsterfullerene |date=1992|last1=Sariciftci|first1=N. S.|last2=Smilowitz|first2=L.|last3=Heeger|first3=A. J. |last4= Wudl|first4=F.|journal=Science|volume=258|pmid=17755110|issue=5087|pages=1474–6|bibcode = 1992Sci...258.1474S |s2cid=44646344 }}</ref><ref>{{cite journal|doi=10.1002/adma.200501152|title=Device Physics of Solution-Processed Organic Field-Effect Transistors|date=2005 |last1= Sirringhaus|first1=H.|journal=Advanced Materials|volume=17|pages=2411–2425|issue=20}}</ref>
Kvankam la pi-elektronoj en polieteno estas dislokiĝintaj laŭ la ĉeno, pura polietino ne estas metalo. Polietino havas alternajn unuoblajn kaj duoblajn ligojn, kies longo estas 0,144 kaj 0,136 nm respektive.<ref>{{cite journal|doi=10.1103/PhysRevLett.51.1191|title=Molecular Geometry of cis- and trans-Polyacetylene by Nutation NMR Spectroscopy|date=1983|last1=Yannoni|first1=C. S.|last2=Clarke|first2=T. C.|journal=Physical Review Letters|volume=51|pages=1191–1193|bibcode=1983PhRvL..51.1191Y|issue=13}}</ref> Je dopado, la liga ŝanĝiĝo malgrandiĝas dum konduktivo pligrandiĝas. Nedopaj pliiĝoj je konduktivo estas atingeblaj en [[Transistoro#Kamp-efikaj_transistoroj_(FEToj)|kamp-efikaj transistoroj]] (organika FET aŭ [[OFET]]) kaj per [[fotokonduktado|surradiado]]. Iuj materioj ankaŭ havas [[negativa diferenca rezistanco|negativan diferencan rezistancon]] kaj tensiregatan "ŝaltadon", analoga al tiu observita ĉe neorganikaj amorfaj duonkonduktantoj.
 
Malgraŭ intensa esplorado, la rilato inter morfologio, ĉenstrukturo kaj konduktanco estas nesufiĉe komprenata.<ref name=h1/> Ĝenerale oni supozas, ke konduktivo devus esti pli alta por la pli alta nivelo de kristaleco kaj pli bona viciĝo de la ĉenoj, sed oni ne konfirmis tion por [[polianilino]] kaj nur lastatempe oni konfirmis tion por [[Poli(3,4-etilendioksitiofeno)|PEDOT]],<ref>{{cite journal | title = ''In situ'' studies of strain dependent transport properties of conducting polymers on elastomeric substrates | last1 = Vijay | first1 = Venugopalan | last2 = Rao | first2 = Arun D. | last3 = Narayan | first3 = K. S. | date = 2011 | journal = J. Appl. Phys. | volume = 109 | issue = 8 | pages = 084525–084525–6 | doi = 10.1063/1.3580514 |bibcode = 2011JAP...109h4525V }}</ref><ref>{{cite journal | title = Electronic Properties of Transparent Conductive Films of PEDOT:PSS on Stretchable Substrates | last1 = Darren | last2 = Vosgueritchian | first2 = Michael | last3 = Tee | first3 = C.-K. | last4 = Bolander | first4 = John A. | last5 = Bao | first5 = Zhenan | date = 2012 | journal = Chem. Mater. | volume = 24 | issue = 2| pages = 373–382 | doi = 10.1021/cm203216m }}</ref> kiuj estas ĝenerale amorfaj.
 
==Atributoj kaj aplikaĵoj==
Konduktivaj polimeroj montras eventualecon en antistatikaj materioj <ref name=Ullmann/> kaj oni inkludas ilin en komercaj ekranoj kaj baterioj. Literaturo sugestas, ke ili havas eblecojn por [[organika sunĉelo |organikaj sunĉeloj]], [[presita elektroniko|presitaj elektronikaj cirkvitoj]], [[Lum-eliganta diodo|organikaj lumeligantaj diodoj]], [[aktivigilo]]j, [[elektrokromismo]], [[superkondensilo]], [[kemirezistilo|kemia sensilo]], kemisensilaro, kaj [[biosensilo]],<ref>{{cite journal | doi = 10.1016/j.aca.2008.02.068 | title = Conducting polymers in chemical sensors and arrays | date = 2008 | last1 = Lange | first1 = Ulrich | last2 = Roznyatovskaya | first2 = Nataliya V. | last3 = Mirsky | first3 = Vladimir M. | journal = Analytica Chimica Acta | volume = 614 | pages = 1–26 | pmid = 18405677 | issue = 1}}</ref> flekseblaj travideblaj ekranoj, [[elektromagneta ŝirmilo]] kaj eble anstataŭanto por la populara travidebla konduktilo [[india stana oksido]]. Alia uzo estas por mikroondo-sorbaj tegoj, precipe radarosorbaj tegoj ĉe [[kaŝaviadilo]].
Konduktivaj polimeroj rapide gajnas atenton pri novaj aplikaĵoj per pli kaj pli trakteblaj materioj kun pli taŭgaj elektraj kaj fizikaj atributoj kaj malpli altaj kostoj. La novaj nanostrukturaj formoj de konduktivaj polimeroj precipe, pligrandigas ĉi tiun kampon pro iliaj pli altaj surfaca areo kaj pli bona disperseblo. Esploraj raportoj montris, ke nanostrukturaj konduktivaj polimeroj en la formo de nanofibroj kaj nanospongoj havas signife plibonajn kapacitancon, kompare kun iliaj ne-nanostrukturaj ekvivalentoj.<ref>{{cite journal|last1=Tebyetekerwa|first1=Mike|last2=Wang|first2=Xingping|last3=Wu|first3=Yongzhi|last4=Yang|first4=Shengyuan|last5=Zhu|first5=Meifang|last6=Ramakrishna|first6=Seeram|title=Controlled synergistic strategy to fabricate 3D-skeletal hetero-nanosponges with high performance for flexible energy storage applications|journal=Journal of Materials Chemistry A|date=2017|volume=5|issue=40|pages=21114–21121|doi=10.1039/C7TA06242G}}</ref><ref name="Unveiling Polyindole 2017">{{cite journal|last1=Tebyetekerwa|first1=Mike|last2=Yang|first2=Shengyuan|last3=Peng|first3=Shengjie|last4=Xu|first4=Zhen|last5=Shao|first5=Wenyu|last6=Pan|first6=Dan|last7=Ramakrishna|first7=Seeram|last8=Zhu|first8=Meifang|title=Unveiling Polyindole: Freestanding As-electrospun Polyindole Nanofibers and Polyindole/Carbon Nanotubes Composites as Enhanced Electrodes for Flexible All-solid-state Supercapacitors|journal=Electrochimica Acta|date=September 2017|volume=247|pages=400–409|doi=10.1016/j.electacta.2017.07.038}}</ref>
 
Kun la nuna disponeblo de stabilaj kaj reprodukteblaj dispersaĵoj, PEDOT kaj [[polianilino]] gajnis iujn grandskalajn aplikaĵojn. Dum PEDOT ([[poli(3,4-etendioksitiofeno)]]) estas ĉefe uzata en kontraŭperturbaj aplikaĵoj kaj kiel travidebla kondukta tavolo en la formo PEDOT:PSS dispersaĵoj (PSS=[[Natria polistirena sulfonato|polistirena sulfona acido]]), polianilino estas vaste uzata por fabriki presitajn cirkvitajn tabulojn – en la fina tego, por protekti la kupron kontraŭ korodo kaj malhelpi ĝian luteblecon.<ref name=nalwa>{{cite book|doi=10.1016/B978-012513760-7/50070-8|title=Handbook of Nanostructured Materials and Nanotechnology|editor= Nalwa, H.S.|publisher=Academic Press|place= New York, USA|year= 2000|volume=5|pages=501–575|isbn=978-0-12-513760-7}}</ref> Krom tio, poliindolo ekgajnis atenton pro diversaj aplikaĵoj, pro ĝia alta redoksa aktiveco.<ref>{{cite journal|last1=Tebyetekerwa|first1=Mike|last2=Xu|first2=Zhen|last3=Li|first3=Weili|last4=Wang|first4=Xingping|last5=Marriam|first5=Ifra|last6=Peng|first6=Shengjie|last7=Ramakrishna|first7=Seeram|last8=Yang|first8=Shengyuan|last9=Zhu|first9=Meifang|title=Surface Self-Assembly of Functional Electroactive Nanofibers on Textile Yarns as a Facile Approach Towards Super Flexible Energy Storage|journal=ACS Applied Energy Materials|volume=1|issue=2|pages=377–386|date=13 December 2017|doi=10.1021/acsaem.7b00057}}</ref> termika stabileco,<ref name="Unveiling Polyindole 2017"/> and slow degradation properties than competitors polyaniline and polypyrrole.<ref>{{cite journal|last1=Zhou|first1=Weiqiang|last2=Xu|first2=Jingkun|title=Progress in Conjugated Polyindoles: Synthesis, Polymerization Mechanisms, Properties, and Applications|journal=Polymer Reviews|date=18 August 2016|volume=57|issue=2|pages=248–275|doi=10.1080/15583724.2016.1223130|s2cid=99946069}}</ref>
 
=== Elektroluminesko ===
[[Elektroluminesko]] estas lumemisio stimulita de elektra kurento. Ĉe organikaj kombinaĵoj, elektroluminesko koniĝis en la fruaj 1950-aj jaroj, kiam Bernanose kaj kunlaborantoj unue produktis elektrolumineskon ĉe kristalaj maldikaj filmoj de akridino oranĝa kaj [[mepakrino]]. En 1960, esploristoj ĉe Dow Chemical evoluigis AK-regatan elektrolumineskajn ĉelojn per dopado. En iuj okazoj, simila [[luma emisio]] observiĝas kiam oni aplikas [[tensio|tension]] al maldika tavolo de konduktiva organika polimero filma. Kvankam elektroluminesko estis origine akademie interesa, la pli alta konduktivo de modernaj konduktivaj polimeroj signifas, ke eblas traigi sufiĉan povon tra la ilo je malalta tensio por generi praktikan kvanton da lumo. Tiu propreco instigis la evoluigon de [[platpanela ekrano]] kiu uzas [[organika LED |organikajn LED-ojn]], [[Fotovoltaiko|sunpanelojn]], kaj optikajn [[amplifilo|amplifilojn]].
 
===Barieroj kontraŭ aplikaĵoj===
Ĉar plejultaj konduktivaj polimeroj bezonas oksidigan dopadon, la proprecojn de la rezulta stato estas tre gravaj. Tiaj materioj estas sal-similaj (polimera salo), kiu maltigas sian solveblecon en organikaj solviloj kaj akvo kaj tial sian traktebleco. Plue, la ŝargita organika ĉefĉeno ofte estas malstabila al atmosfera kondensaĵo. La malfacila traktebleco de multaj polimeroj necesigas enkonduki solvigajn substituantojn, kaj tio plue komplikigas la sintezon.
 
Eksperimenta kaj teoria termodinamika pruvoj sugestas, ke konduktivaj polimeroj eble estas tute kaj principe nesolveblaj, do eblas trakti ilin nur per [[disperso]].<ref name="nalwa"/>
 
===Tendencoj===
La nuna emfazo estas sur [[organika lum-emisia diodo|organikaj lum-emisiaj diodoj]] kaj organikaj [[Sunĉelo|polimeraj sunĉeloj]].<ref>[http://www.mrs.org/s_mrs/sec_subscribe.asp?CID=2235&DID=82525&action=detail Overview on Organic Electronics]. Mrs.org. Retrieved on 2017-02-16.</ref> La Organic Electronics Association (asocio pri organika elektroniko) estas internacia platformo por progresigi aplikaĵojn de [[organika duonkonduktilo|organikaj duonkonduktiloj]]. Konduktivaj polimeraj produktoj kun enkorpigitaj kaj plibonigiaj elektromagneta perturbado (EMI) kaj protekto kontraŭ elektrostatika malŝargado, kondukis al kaj prototipoj kaj produktoj. Ekzemple, Polymer Electronics Research Center (Esplorcentro pri polimera elektroniko) ĉe la Universitato de Auckland evoluigas gamon da novaj DNA-sensaj teknologioj bazitaj sur konduktivaj polimeroj, fotolumineskaj polimeroj, kaj neorganikaj nanokristalaj (kvantumaj punktoj) por simple, rapide kaj altsensive detekti genojn. Tipe, oni devas dopi konduktivajn polimerojn. por produkti altan konduktivon. En 2001 oni ankoraŭ serĉis por organika polimero kiu estas "esence" konduktiva.<ref>[http://alumnus.caltech.edu/~colinc/science/past/PhD/html-thesis/node8.html Conjugated Polymers: Electronic Conductors] {{Webarchive|url=https://web.archive.org/web/20150211153956/http://alumnus.caltech.edu/~colinc/science/past/PhD/html-thesis/node8.html |date=2015-02-11 }} (April 2001)</ref> En 2020, esploristoj en [[IMDEA Nanoscience Institute]] (instituto pri nanoscienco) raportis eksperimentan pruvon de la racia inĝenierado de 1D-polimeroj kiuj situas proksime al la kvantuma [[faztransiro]] de la topologie bagatela al nebagatela klaso, tiel havante mallarĝan energian interspacon.<ref>{{Cite journal|last1=Cirera|first1=Borja|last2=Sánchez-Grande|first2=Ana|last3=de la Torre|first3=Bruno|last4=Santos|first4=José|last5=Edalatmanesh|first5=Shayan|last6=Rodríguez-Sánchez|first6=Eider|last7=Lauwaet|first7=Koen|last8=Mallada|first8=Benjamin|last9=Zbořil|first9=Radek|last10=Miranda|first10=Rodolfo|last11=Gröning|first11=Oliver|date=2020-04-20|title=Tailoring topological order and π- conjugation to engineer quasi-metallic polymers|url=https://www.nature.com/articles/s41565-020-0668-7|journal=Nature Nanotechnology|language=en|pages=437–443|doi=10.1038/s41565-020-0668-7|issn=1748-3395|volume=15|issue=6|pmid=32313219|arxiv=1911.05514|s2cid=207930507}}</ref>
 
==Vidu ankaŭ==
*[[Organika elektroniko]]
*[[Organika duonkonduktanto]]
*[[Molekula elektroniko]]