Название(я): Проводящие полимеры
Номер в каталоге: 23
Основной предмет (школа): химия, физика
Область знания (ВУЗ): комплексы с переносом заряда, органическая химия, молекулярная электроника
Актуальность: Школьники хорошо знают, что металлы и графит (теперь и графен) хорошо проводят электрический ток, однако мало кто из них задумывался, что так же себя могут вести и органические соединения, в частности, особые по составу и структуре полимеры (классические примеры - "легированный" полиацетилен, полианилин и "органические металлы"). В то же время, именно такие полимеры сейчас становятся все более востребованными в связи с развитием молекулярной, органической, печатной (гибкой) электроники, новых устройств отображения информации, технологий производства полимерных солнечных батарей и пр.
Новизна: получение полностью органического соединения, проводящего в твердом состоянии электрический ток
Цель: получение и исследование неметаллических гибких проводников
Задачи:
1. ознакомление с основами зонной теории твердого тела
2. ознакомление с основами молекулярной, органической, гибкой электроники (специальная литература от тьютора), строением, классификацией и свойствами высокомолекулярных соединений
3. анализ литературы по механизмам проводимости в органических полимерах
5. выбор метода синтеза (фотохимическая, электрохимическая, термическая, окислительная полимеризация и пр.), определение методики (если необходимо) легирования или химической модификации полимера для увеличения его проводимости (например, получение гибридных неоргано - органических материалов)
6. получение проводящего полимера в виде пленки, дисперсных сфероидов (взвеси), геля и т.д.
7. исследование электрофизических свойств полученного полимера, его химической, фотохимической, термической стабильности
8. создание прототипов устройств (если возможно)
9. обобщение результатов и анализ возможных областей применения полученного полимера.
Экспериментальные подходы: получение полимеров за счет термо-, фотополимеризации, окислительной полимеризации и пр., исследование электрофизических свойств полимера и деградации этих свойств при внешних неблагоприятных воздействиях или "в процессе эксплуатации".
Методические подходы: ознакомление с высокомолекулярными соединениями и механизмами электронной и дырочной проводимости твердых тел
Требующиеся нестандартные реактивы и ресурсы: мономеры для получения проводящего полимера, другие реактивы, установка для электрофизических измерений (возможно, и для электрохимического синтеза), сканирующая зондовая микроскопия, колебательная спектроскопия
Освоение школьником теоретического материала: строение химических соединений, стереохимия, структура различных классов полимеров, зонная теория
Навыки, получаемые школьником: методы получения высокомолекулярных соединений, работа с электрическими цепями
Предшествующий материал по школьной программе: химия углерода, ароматические и гетероциклические соединения, теория химической связи, металлы, полупроводники, диэлектрики
Роль учителя: общая помощь в реализации проекта, контроль за соблюдением техники безопасности
Возможная помощь тьюторов: обеспечение реактивами, специальной литературой, консультативная помощь, осуществление инструментального анализа (термический анализ, электрофизические измерения, колебательная спектроскопия, элементный анализ, оптическая, сканирующая зондовая микроскопия и другие измерения по необходимости).
Техника безопасности: работа с потенциально токсичными соединениями (если выбраны сооветствующие мономеры)
Примечания: лучший (но не единственный) вариант - получение полианилина за счет окислительной полимеризации солей аналиния, следует также попытаться получить другие проводящие полимеры, сравнить полимеры, проводящих по электронам и "дыркам", создать прототип устройств на основе проводящих полимеров (например, полупроводниковый слой с фотоэффектом, фотохромное покрытие и пр.).
Проводящий полимер.
Другие работы кластера "Каталог тем проектных работ" (гипертекстовый навигатор):
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
2014 год
Тема: Полимеры и их применение в XXI веке
1. Полимеры
1. Определение полимер поликонденсация молекулярный
v По своему определению, полимер -- это высокомолекулярное соединение, содержащее в своём составе достаточное количество мономеров или «мономерных звеньев.
v Иными словами, полимеры это линейные цепи, состоящие из большего (N>1) числа одинаковых звеньев. К примеру, для синтетических полимеров N~ 102-104.
v Как правило, полимеры -- вещества с молекулярной массой от нескольких тысяч до нескольких миллионов.
2. Первое получение полимера:
v В 1867 году российский химик Александр Бутлеров получил первый полимер - неизвестный ранее полиизобутилен.
v А в 1910 году Сергей Лебедев, тоже российский химик, синтезировал первый образец искусственного каучука {(CH3)2C=CH2}n
3. Реакции получения полимеров - поликонденсация и полимеризация:
v В основном, все полимеры получают двумя методами - реакциями поликонденсации и полимеризации.
v В реакцию полимеризации вступают молекулы, содержащие кратную (чаще - двойную) связь. Такие реакции протекают по механизму присоединения, всё начинается с разрыва двойных связей (реакция №1- получение полиэтилена):
v Этим видом реакции получают многие полимеры, в том числе капрон.
Размещено на http://www.allbest.ru/
2014 год
1. Классификация полимеров:
2. Структура полимеров:
3. Применение:
v Благодаря ценным свойствам, полимеры применяются в машиностроении, текстильной промышленности, сельском хозяйстве, медицине. Автомобиле- и судостроении, авиастроении и в быту (текстильные и кожевенные изделия, посуда, клей и лаки, украшения и другие предметы).
v На основании высокомолекулярных соединений изготовляют резины, волокна, пластмассы, пленки и лакокрасочные покрытия.
2. Полимеры. Применение в XXI веке
v Наука уже давно не стоит на месте и за тот период времени от открытия полимера до наших дней, создано великое множество модификаций этого удивительного вещества. Одними из последних разработок являются следующие три полимера, каждый из которых обладает уникальными свойствами.
1. «Умный пластилин»
v Главным компонентов такого пластилина является полидиметилсилоксан - (C2H6OSi)n. Этот полимер сочетает в себе несколько необычных свойств. Так, в зависимости от разных условий среды, он ведёт себя по-разному: в состоянии покоя он растекается как жидкость, при резком механическом воздействии разрывается на куски как твердое тело.
v “Умный пластилин” был получен случайно, его изобретатель смешал силиконовое масло с борной кислотой в надежде получить новый вид резины, но клейкая масса оказалась не на что не похожей.
2. Гидрогель
v Гидрогели - представляют собой твердые гранулы, полимерное вещество способное за пару часов увеличится в объеме больше чем в десять раз. Все что для этого нужно это вода, разбухнув гранулы, станут мягкими как воск, когда вода испарится, они снова уменьшатся и затвердеют. Подобные вещества называются - супер-абсорбентами, они не только поглощают огромное количество воды, набухший полимер удерживает её внутри собственными молекулами.
v При поглощении растворителя полимером происходит растяжении клубков, т.е. в исходном состоянии сжатый полимерный клубок поглощает в себя растворитель, например воду и происходит её включение внутрь клубка.
v Этот принцип лежит и в основе эко-почвы, гидрогели, используемые в сельском хозяйстве. Обычно при поливе растений большая часть воды уходит в более глубокие слои почвы. Добавленный в почву гидрогель не позволяет утечь ей как сквозь пальцы, даже если растение пустит корни сквозь гранулу, вода из неё не выльется.
v Так как молекулу воды встроены внутрь полимерных цепей гидрогеля, то при физическом разрушении гидрогели не наблюдается вытекания воды, а система сохраняет такие же свойства, как и до разрушения.
v Самый яркий пример работы супер-абсорбента - детские одноразовые подгузники, даже тот, кто не сталкивался с ними, знает принцип работы. В многослойной конструкции содержится тот же полимер впитывающий жидкость как губка. Гидрогель, подобное вещество из подгузника способен выполнять и более серьезную работу, например в нефтедобывающей промышленности.
v В нефтедобыче давно существуют серьезные проблемы. При откачке на каждую тонну “черного золота” приходится три тонны воды. На очистку нефти от лишней жидкости тратятся огромные средства. Долгое время ученые искали способ отделить нефть от воды до того как она попадет в трубопровод, решение было найдено в лаборатории Московского государственного университета.
v Полимерная жидкость закачивается в нефтяную скважину и она ведет себя по-разному в зависимости от того проходит скважина через водный пласт или через нефтеносный пласт.
v Принцип действия достаточно прост. Попав в скважину, полимерная жидкость по разному реагирует на нефть и воду, с “черным золотом” она в реакцию не вступает, но когда на своем пути полимер встречает воду, он тут же впитывает её. Набухший гель закупоривает пласт воды и не выпускает её наружу. Расширение гидрогеля создает дополнительное давление на нефть что приводит к её выдавливанию наружу в чистом состоянии.
3. «Умное лекарство
v Некоторые полимеры обладают свойством реагировать на изменения внешней среды, так “умный пластилин” меняет цвет в зависимости от температуры. В холодной воде заметно темнеет, если перенести его в воду комнатной температуры возвращается к своему первоначальному цвету. При изменении температуры изменяется плотность клубка, т.е. чем ниже температура, тем клубок имеет меньший объем и таким образом при понижении температуры происходит выдавливание красителя, а при его увлечении краситель втягивается в клубок, что и приводит к изменению цвета.
v Полимер выдавливает краску как губка воду, а что если заменить краситель лекарством, сможет ли полимер контролировано выдавать нужную дозу препарата? Есть такое направленное транспортное лекарство в живом организме, эта проблема, которая решается и которую необходимо решать достаточно серьезно бьются.
v Большая часть лекарственных препаратов расходуется впустую. Таблетка не умеет находить больной орган, растворившись в желудке, она через кровь разойдется по всему организму, до нужного места доберется не более 10% препарата. В идеале, лекарство должно попадать сразу к больному органу и не вызывать побочных эффектов.
v “Умные полимеры” могут реагировать не только на температуру, они чувствительны к любому изменению среды, на которую они будут запрограммированы. Мы знаем, что ранение сопровождается подкислением, т.е. среда становится кислой, а вот этот гелий сделан, так что при подкислении он немного сжимается и вытесняет лекарство, которое ему было введено.
v На основе полимерного геля создали уникальное лекарство - ранозаживляющие гидрогели. Гидрогель состоит из восьми компонентов, которые смешиваются в дистиллированной воде в определенной последовательности. В промышленных масштабах каждый компонент добавляется с определенным интервалом времени, при реакции эти вещества создают стойкую полимерную структуру, в которую затем добавляется лекарство.
v Гель представляет собой транспортное средство, который в микрокапсулах содержит лекарственный препарат, еще его называют “умный гель” - потому что не зависимо от людей, которые его применяют, он сам ищет и находит места поражения и оказывает помощь. В составе гидрогеля не одно а сразу несколько лекарств, попав на рану полимер отдает их поочередно, в зависимости от того что требуется организму обезболить или начать процесс заживления, лекарство на рану поступают постепенно причем продолжительное время, а потом его можно просто смыть водой. До этой работы ничего подобного в России не было.
v По тому же принципу действует и оболочка капсулы (таблетки), она изготовлена из специального полимера, он отвечает не только за доставку медикаментов по назначению, но и за выделение определенной дозы лекарства в течение долгого времени.
Список литературы
1. ru.wikipedia.org
2. http://www.sigmapluss.ru/umniipolimer.php
3. http://www.kation-msk.ru/ru/press/article/15_8.html
4. http://xn--e1aogju.xn--p1ai/
5. http://www.km.ru/referats/7FA5CF33809646779974A80FDAD7A6CC
Размещено на Allbest.ru
...Подобные документы
Образование высокомолекулярного соединения из простых молекул-мономеров в ходе реакций полимеризации и поликонденсации. Процесс поликонденсации – ступенчатый процесс, в котором образующиеся продукты взаимодействуют друг с другом. Молекулярные цепи.
реферат , добавлен 28.01.2009
Изучение понятия и строения полимеров, их классификации по происхождению, форме молекул, по природе. Характеристика основных способов получения - поликонденсации и полимеризации. Пластмассы и волокна. Применение полимеров в медицине и строительстве.
презентация , добавлен 12.10.2015
Практическое проведение эмульсионной полимеризации и сополимеризации акриловых мономеров, скорость и кинетика реакции, влияющие факторы. Способ предварительного создания концентрированной эмульсии, образование микроэмульсии и анализ ее дисперсности.
статья , добавлен 22.02.2010
Классификация реакций поликонденсации, глубина ее протекания, уравнение Карозерса. Влияние различных факторов на молекулярную массу и выход полимера при поликонденсации. Методы осуществления реакции. Полимеры, получаемые реакцией поликонденсации.
контрольная работа , добавлен 19.09.2013
Полиэтилен - высокомолекулярное соединение, полимер этилена; белый твёрдый продукт, устойчивый к действию масел, ацетона, бензина и других растворителей. Сфера применения полиэтилена. Области применения полиэтиленовых труб и их основные преимущества.
реферат , добавлен 27.10.2010
Общее понятие о полимерах. Процесс получения высокомолекулярных соединений. Биосовместимые материалы и устройства. Органические, элементоорганические, неорганические полимеры. Природные органические полимеры. Применение биоклеев в неинвазивной терапии.
реферат , добавлен 23.04.2013
Что такое полимеры и особенности развития науки о полимерах. Описание различий в свойствах высоко- и низкомолекулярных соединений. История развития производства полимеров. Технологический процесс образования, получения и распространения полимеров.
реферат , добавлен 12.06.2011
Образование высокомолекулярного соединения из молекул-мономеров в ходе реакций полимеризации, поликонденсации. Процесс поликонденсации – ступенчатый процесс, в котором образующиеся продукты взаимодействуют друг с другом. Каталитическая полимеризация.
реферат , добавлен 28.01.2009
Полимеры как органические и неорганические, аморфные и кристаллические вещества. Особенности структуры их молекулы. История термина "полимерия" и его значения. Классификация полимерных соединений, примеры их видов. Применение в быту и промышленности.
презентация , добавлен 10.11.2010
Классификация, строение полимеров, их применение в различных отраслях промышленности и в быту. Реакция образования полимера из мономера - полимеризация. Формула получения полипропилена. Реакция поликонденсации. Получение крахмала или целлюлозы.
Полярные полимеры характеризуются наличием в их структуре постоянных диполей. Если конформация полимера жестко закреплена, результирующий момент молекулы будет определяться тем, складываются или вычитаются моменты отдельных сегментов. В общем случае полимерные молекулы не находятся в одной фиксированной конформации и экспериментальная величина - среднеквадратичный дипольный момент - является усреднением по многим различным конформациям.
У полярных полимеров диэлектрическая проницаемость определяется не только электронной, но также резонансной и релаксационной поляризацией. Характерное время установления резонансной поляризации зависит от температуры и составляет 10-13 -10-12 с. Время установления релаксационной поляризации зависит от температуры и изменяется на много порядков. Поэтому диэлектрическая проницаемость полярных полимеров уменьшается с частотой и сложным образом зависит от температуры.
Для полярных полимеров, обладающих более высокой диэлектрической проницаемостью, чем неполярные, молярная поляризация с ростом температуры уменьшается. Соотношение (1.5) в этом случае преобразуется к виду
где - составляющие тензора деформационной поляризуемости молекулы,- ее постоянный (результирующий) дипольный момент молекулы,- постоянная Больцмана,- температура. Уравнение (1.6) часто называют уравнением Дебая для молярной поляризации.
Дипольные моменты атомных групп существенным образом зависят от типа их химической связи с молекулой, в которую они входят. Необходимость учета сильного локального взаимодействия между молекулой и ее окружением и, как следствие этого, локального
упорядочения, было учтено введение коэффициента корреляции , определяемого как:
где - число ближайших молекул в системе, γ - угол между молекулой в точке отсчета и ее ближайшим соседом. При учете коэффициента корреляции и некоторых других улучшений, осуществленных Фрелихом, конечным результатом явилось следующее уравнение (называемое уравнением Фрелиха), которое связывает макроскопическую диэлектрическую проницаемость с дипольным моментом молекулы:
где показатель преломления света в данном диэлектрике.
Во всех полярных полимерах различают два типа релаксационных потерь: дипольно-сегментальные и дипольно-групповые. Первый тип обусловлен движением крупномасштабных сегментов макромолекул, которые можно представить как изгибные колебания основной молекулярной цепи. Второй тип потерь связан с вращением малых полярных групп, содержащихся в боковых ветвях макромолекулы. Несколько областей максимумов дипольно-групповых потерь (β, γ, δ) наблюдаются тогда, когда у полимера есть полярные группы, обладаю различной подвижностью. Отметим, что некоторая подвижность полярных групп сохраняется вплоть до гелиевых температур.
С увеличением полярности полимера возрастают диэлектрические потери, вызванные электрической проводимостью. Они наблюдаются при высоких температурах на низких частотах и экспоненциально увеличиваются с повышением температуры.
сти между проводниками и компонентами схемы в различных электронных чипах, позволяя увеличить их быстродействие.
Полиимиды рассматриваются в современной микроэлектронике как одни из наиболее перспективных изоляционных материалов. Эти полимеры обладают хорошими термическими, механическими и электрическими свойствами, которые можно еще улучшить, если уменьшить их диэлектрическую проницаемость. Один из самых простых ароматических полиимидов имеет следующую структурную формулу:
С целью уменьшения диэлектрической проницаемости полиимида было предложено заменить часть атомов водорода на атомы фтора, поскольку поляризуемость связей C – F меньше, чем связей C – H. Связь C – F очень полярна, что, тем не менее, не сказывается на диэлектрической проницаемости на высоких частотах, но может привести к ее возрастанию на низкой частоте. Однако полиимиды обычно используются при температурах ниже температуры стеклования, поэтому ориентационная поляризация затруднена и не вносит заметного вклада в рабочем диапазоне частот. Более того, использование симметричного замещения помогает избежать появления результирующего дипольного момента:
Использование фторированных полиимидов позволяет снизить диэлектрическую проницаемость от 3,4 до 2,8.
Другим способом, позволяющим снизить диэлектрическую проницаемость, является увеличение доли свободного объема1 в полимерном материале. Увеличение свободного объема приводит к снижению числа поляризующихся групп в единице объема, снижая тем самым диэлектрическую проницаемость полимера. Оценки показывают, что данный способ позволяет уменьшить значение диэлектрической проницаемости на несколько десятков процентов относительно первоначального значения.
В целом, рассматривая оба способа, можно сделать вывод о том, что при создании молекулярных структур с низкой диэлектрической проницаемостью регулирование свободного объема столь же важно, как и выбор функциональных групп с малой поляризуемостью.
Наряду с созданием полимерных диэлектриков с низкой диэлектрической проницаемостью в последние годы стала актуальной и другая задача - создание тонкопленочных полимерных диэлектрических материалов со сверхвысоким значением диэлектрической проницаемости. Их предполагается использовать в качестве подзатворных диэлектрических слоев в органических полевых транзисторах (ОПТ). К подзатворным диэлектрикам ОПТ предъявляется ряд специфических требований. Эти слои должны обладать высокой диэлектрической проницаемостью, низкой проводимостью и потерями, а толщина их не должна превышать нескольких сотен нанометров. В настоящее время при изготовлении ОПТ в качестве подзатворных диэлектрических слоев широко используются тонкие слои неорганических окислов, таких как SiO2 , Ta2 O5 , Al2 O3 и ряда других. Диэлектрическая проницаемость этих окислов составляет примерно 6 – 30 при толщине слоя от 5 до 500 нм.
1 Свободный объем в полимере - это объем, дополнительный к занимаемому атомами, исходя из их вандерваальсового радиуса, объему.
Задача перехода от неорганических оксидных к полимерным диэлектрическим слоям связана с необходимостью упрощения технологии изготовления ОПТ, поскольку реализация «принтерной»1 технологии изготовления ОПТ с оксидными диэлектриками затруднительна.
Полярные полимерные диэлектрики следует рассматривать как перспективные материалы, которые можно использовать для этих целей. Особый интерес представляют полимерные диэлектрики, в молекулах которых присутствуют полярные группы с большим значением дипольного момента. Типичным представителем этого класса полимерных диэлектриков является циановый эфир поливинилового спирта (ЦЭПС). Структурная формула мономерного звена ЦЭПС имеет вид
ЦЭПС характеризуется одним из наиболее высоких значений диэлектрической проницаемости среди известных полимерных материалов. Значение ε этого полимера на частоте порядка 103 Гц равно
15, а tgδ не превышает 0,1 – 0,15.
Столь значительная диэлектрическая проницаемость ЦЭПС обусловлена присутствием сильно полярных нитрильных (C N), кар-
бонильных (C=O) и гидроксильных (OH) групп, способных к ориентации под действием внешнего электрического поля (рис. 1.12). При благоприятной ориентации этих групп, обеспечивается максимальное значение дипольного момента равное 5,13 Д, но в среднем суммарный
1 «Принтерная» технология изготовления ОПТ основана на методе струйной печати, а также полиграфическом методе микроконтактной печати и печати термопереносом.
дипольный момент мономерного звена (с учетом коэффициента корреляции g = 0,84) составляет 3,63 Д.
Рис. 1.12. Значительный дипольный момент мономерного звена ЦЭПС возникает в результате ориентации полярных групп
Полимерные диэлектрики широко применяемые в различных электронных устройствах. В органической электронике они чаще всего используются в виде тонких пленок, поэтому даже при относительно невысоких рабочих напряжениях, напряженность электрического поля в них достигает значительных величин. Действительно, в пленке толщиной 100 нм при воздействии на нее напряжения 10 В средняя напряженность поля уже составляет 106 В/с, но в локальных областях полимера, например, на границе аморфной или кристаллической областей или на интерфейсе электрод-полимер, может существенно превосходить это значение. Таким образом, проблемы связанные с электрической прочностью тонких полимерных пленок и их работоспособностью в сильном электрическом поле приобретают первостепенное значение.
К настоящему времени установлено, что электрическое разрушение пленок не является критическим событием, происходящим при достижении определенной напряженности поля. Время их жизни в электрическом поле (долговечность) экспоненциально уменьшается при увеличении его напряженности. Электрическое разрушение по-
лимерных пленок можно рассматривать как процесс, состоящий из двух последовательных этапов. На первом (подготовительном) этапе происходит инициируемое электрическим полем накопление повреждений макромолекул. Длительность этого этапа определяет долговечность образца пленки в электрическом поле (время от момента приложения напряжения к полимеру до пробоя). На втором (завершающем) этапе полимерный диэлектрик теряет способность сопротивляться протеканию тока высокой плотности, наблюдается резкое его возрастание, т. е. происходит электрический пробой.
Электрическая прочность пленок многих полимеров изучалась на постоянном, переменном и импульсном напряжении. Проведенные исследования показывают, что пробой тонких пленов полимеров раз-
личных типов происходит в полях с напряженностью (2–6) 108 В/м.
Эта величина практически не отличается от напряженности полей, в которых в условиях ограничения частичных разрядов пробиваются более толстые пленки полимеров.
Важными факторами, во многом определяющими подходы, используемые при рассмотрении механизма электрического пробоя тонкопленочных полимерных структур, являются зависимость их электрической долговечности от напряженности поля и влияние скорости подъема напряжения и материала электродов на величину пробивной напряженности.
Наблюдаемое влияние напряженности электрического поля на долговечность и скорости подъема напряжения на пробивную напряженность, представляется весьма важным фактом, поскольку его можно рассматривать как указание на то, что электрическое разрушение тонких полимерных пленок действительно является следствием постепенного накопления повреждений (изменений), завершающегося пробоем. В ходе этого процесса создаются условия, при которых в определенный момент времени под воздействием сильного электрического поля полимерный диэлектрик теряет свои «диэлектрические
свойства» и оказывается способным пропускать значительные токи, приводящие к его разрушению (пробою) вследствие выделения тепла.
Деградация полимерного материала в электрическом поле протекает вследствие разрыва химических связей в молекулах полимеров, выделения энергии при рекомбинации зарядов и тепловыделения при протекании тока высокой плотности.
1.6. ПОЛИМЕРЫ С СОБСТВЕННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ
Основное различие между полимерными диэлектриками и полимерами, обладающими собственной электронной проводимостью, заключается в том, что первые не содержат сопряженных химических связей, которые есть во вторых.
Среди многообразия проводящих полимеров, в соответствие с классификацией, предложенной А. В. Ванниковым, исходя из особенностей транспорта носителей заряда, условно можно выделить следующие группы.
1. Проводимость определяется транспортом носителей заряда по полимерным полисопряженным цепям. Типичными представителями этой группы полимеров являются ориентированный полиацетилен, политиофен, полипиррол.
2. Носители заряда движутся по полимерным полисопряженным цепям, но суммарный транспорт определяется прыжками носителей заряда между полимерными цепями. В эту большую группу входят многочисленные производные полифениленвинилена, полиметилфенилсилилен и другие. Здесь следует отметить, что межмолекулярный перенос заряда сильно затрудняет транспорт, поэтому подвижность носителей заряда в таких полимерах существенно ниже, чем внутримолекулярная подвижность.
3. Локализованные транспортные центры расположены в основной цепи полимера, не имеющей полисопряжения, например полиимид, содержащий в основной цепи трифениламинные или антраценовые транспортные группы.
4. Локализованные транспортные центры являются боковыми заместителями основной цепи полимера. Сюда относятся поливинилкарбазол, полиэпоксипропилкарбазол, поливинилантрацен и т. д.
5. Последняя, самая обширная группа включает полимеры, допированные активными низкомолекулярными соединениями. В таких соединениях именно полимерная матрица, как правило, определяет физико-механические и спектральные свойства системы.
Механизм проводимости полимеров, относящихся ко 2–5 группам, является прыжковым и связан с переносом носителей заряда по транспортным центрам. По своей природе и наблюдаемым закономерностям он подобен прыжковому механизму подвижности. В зависимости от природы полимера подвижность в них может быть электронной или дырочной.
Дырочный транспорт осуществляется по транспортным центрам, имеющим минимальный потенциал ионизации. Обычно это ароматические аминные группы или соединения. Транспорт дырки связан с прыжком электрона с высшей заполненной молекулярной орбитали (уровня НОМО) нейтрального транспортного центра, на молекулярную орбиталь соседнего положительно заряженного транспортного центра.
Транспорт электронов происходит по транспортным центрам, характеризующимся максимальным сродством к электрону. Чаще всего, в качестве таких центров выступают кислородосодержащие группы. Электрон с молекулярной орбитали отрицательно заряженного центра переходит на низшую свободную орбиталь (уровень LUMO) соседнего нейтрального транспортного центра.
Проводимость,
Структурная формула Название
полиацетилен 10 4
полифенилен 10 3
полипиррол 10 3
политиофен 10 3
полианилин 10 2
Рис. 1.13. Структурные формулы проводящих полимеров
Электропроводность полимеров, относящихся к первой группе, определяется электропроводностью полимерных цепей. Эти полимеры относятся к полимерам с высокой темновой проводимостью. Структурные формулы и удельная проводимость некоторых из них представлены на рис. 1.13.
-/a 0 /a
Рис. 1.14. График зависимости энергии от волнового вектора электрона в моноатомной линейной цепочке (а ) и плотность состоянийg (E )
для этой цепочки (б ). Состояния, занятые электронами приT = 0, заштрихованы
Электропроводимость полимеров
Отличительным свойством синтетических полимеров до недавнего времени считалось их нулевая электропроводность. Все привычные типы пластмасс являются хорошими диэлектри - ками благодаря прочным ковалентным связям, образующим макромолекулярные соединения.
Однако эпохальное достижение трех нобелевских лауреатов 2000 года - Алана МакДайармида (США), Алана Хигеру (США) и Хидеки Ширакаве (Японии) - круто изменило общепринятую точку зрения. Этим ученым впервые удалось превратить пластмассу в электрический проводник.
Как это часто бывает в истории науки, открытию помогла случайность. Студент Ширакавы как - то по ошибке добавил слишком много катализатора, в результате чего бесцветный пластик вдруг стал отражать свет подобно серебру, и это навело на мысль о том, что он перестал быть изолятором. Дальнейшие исследования привели к открытию полимера с проводимостью,в десят - ки миллионов раз превосходящей обычный пластик. Это открывает путь к новой электронике ХХI века, основанной на органических материалах. Ведь органические материалы легче и гибче традиционного кремния, им проще придать нужную форму, в том числе и трехмерную.
Что же представляют собой проводящие полимеры? Если коротко, то основой для них служат вещества с молекулами, в которых имеются чередующиеся двойные углеродные связи. В чистом виде они не являются проводниками, поскольку электроны в них локализованы в силу их участия в образовании ковалентных химических связей. Для освобождения электронов применяются различные примеси, после их ввода появляется возможность перемещения зарядов (электронов и дырок) вдоль молекулярной цепи. Распространенным примером проводящего полимера является полианилин. На проводящих полимерах основана молекулярная электроника. Например, ученые из Аризонского университета создали ограничитель напряжения из семи анилиновых фрагментов. Разрабатываются молекулярные транзисторы, конденсаторы, диоды.
Американская компания Superconnect разработала материал, который в будущем поможет ускорить передачу данных в Интернете в сто раз! Это особый полимер, склеенный с набором фуллеренов, позволяющий управлять потоками света при помощи других потоков (т.е. чисто фотонный транзистор).
Рис 109. Сочетание фуллеренов и
полимерных цепей _ ключ к
сверхбыстрым оптическим
переключателям
Это - первый шаг на пути создания полностью оптических маршрутизаторов в Интернете. Сейчас для управления потоками данных (которые между крупными узлами передаются по оптоволокну),их преобразовывают из оптических импульсов в электронные. Чипы определяют направление передачи и переключают канал, после чего поток битов в виде электронов снова переводят в световые импульсы и отправляют к месту назначения. Такие двойные преобразо - вания - одно из узких мест, снижающих общую пропускную способность Интернета. Заменив обычные маршрутизаторы, сочетающие оптические и электронные компоненты,на полностью оптические, можно будет повысить скорость передачи данных в сто раз.
Дешевизна производства полимеров открывает перед органической электроникой новые области применения. Например, такие полимеры позволят печатать любую ИС на простых компьютерных принтерах, используя особый химический раствор вместо чернил. Это - колос - сальное технологическое и экономическое преимущество, ведь принтер прост в обращении и
стоит копейки по сравнению с традиционным дорогостоящим оборудованием для изготовления интегральных микросхем.
На принтерах, например, в ближайшее время сотрудники британской компании Cambrige Display Technologies собираются наладить выпуск видеодисплеев для мобильных телефонов и
других переносных устройств. Исходным материалом для таких дисплеев будут новые светоизлучающие полимеры, где излучение происходит в результате рекомбинации электронов и дырок. Также в скором времени следует ожидать массового производства новых пластиковых мониторов на основе полимерных матриц. На фото изображен один из лабораторных образцов таких дисплеев компании Universal Display.
Рис 110. Демонстрация гибкого
монитора на основе проводящего
полимера*
Более того – если можно печатать и проводники, и полимеры, то почему бы не напечатать на принтере сам принтер? Именно это и стремятся сделать добровольцы проекта RepRap - самореплицирующийся принтер, который сможет печатать все детали для своих копий из проводящих, полупроводящих и непроводящих полимерных чернил. Конечно же, он сможет не
только размножаться - на таком принтере можно будет запросто «распечатать» цифровую фотокамеру или мобильный телефон!
Изоляционные свойства, неспособность проводить электрический ток долгое время рассматривались как качества, естественным образом присущие большинству полимерных материалов. Действительно, именно изоляционные свойства полимеров являются их важнейшим достоинством, определяющим многочисленные практические применения.
Однако в последние двадцать лет были открыты новые полимерные материалы с электропроводностью, лишь ненамного уступающей электропроводности металлов. Их открытие стало настоящей сенсацией, поскольку могло повлечь за собой появление новых типов электронных и оптоэлектронных устройств, и положило начало исследованиям в области синтеза и изучения свойств подобных материалов. Исследователи должны решить два основных вопроса: 1) каков механизм проводимости полимерных соединений и 2) какова взаимосвязь между составом, строением мономера и проводимостью полимерного соединения.
Проводящие полимерные материалы делятся на две большие группы: полимеры с ионной проводимостью или твердые полимерные электролиты и полимеры с электронной проводимостью, которые и являются предметом настоящей статьи. В свою очередь, полимеры с электронной проводимостью разделяют на так называемые органические металлы (полимеры с проводимостью, близкой по механизму к электропроводности металлов; этот тип полимерных соединений в англоязычной литературе имеет широко распространенное название «conducting polymers» - «проводящие полимеры», которое мы и будем использовать) и редокс-полимеры, то есть соединения, в которых перенос электрона осуществляется главным образом за счет протекания окислительно-восстановительных реакций между соседними фрагментами полимерной цепи.
Проводящие полимеры
Первым проводящим полимером, с которого началось развитие исследований в данном направлении, был полиацетилен [(CH) n ] (рис. 1). В виде твердых серебристых пленок в 1974 году его впервые синтезировал из ацетилена Хидеки Ширакава в Токийском технологическом институте. В 1977 году он же одновременно с учеными из США установил, что частичное окисление полиацетилена молекулярным иодом или другими реагентами увеличивает его проводимость в 10 9 раз:
(CH) n + 0,5I 2 – (CH) + n (I 3) - 0,33
В частично окисленной форме полимер можно рассматривать как соль, состоящую из положительно заряженных ионов полимера и равномерно распределенных по его структуре противоионов, поддерживающих общую электронейтральность системы.
Многие проводящие полимеры могут быть получены из мономеров методом электрохимического окисления на поверхности инертного электрода. К их числу относится, например, полипиррол (см. рис. 1), полученный впервые в 1980 году методом электрохимического окисления пиррола в ацетонитрильном растворе, содержащем для придания ему электропроводности перхлорат тетрабутиламмония, исследователем из компании IBM Артом Диасом:
Рис. 1. Примеры проводящих полимеров и сравнение их проводимости с проводимостью некоторых веществ
Полимеры, полученные электрохимическим методом на поверхности электрода, могут быть переведены из проводящего (окисленного) в непроводящее (восстановленное) состояние путем изменения потенциала электрода. Переход полимера из окисленного в нейтральное восстановленное состояние сопровождается выходом зарядкомпенсирующих противоионов из полимера в раствор электролита, в котором проводится процесс, и наоборот (рис. 2).
Рис. 2. Окисление и восстановление пленки проводящего полимера: а - восстановленное нейтральное состояние полимера - изолятор; б - частично окисленное состояние полимера - проводник
Перенос заряда в проводящих полимерах
Определим Pn как периодически повторяющийся фрагмент цепи полимера, способный к обмену полным зарядом с редокс-партнером (или электродом электрохимической системы) и вследствие этого переходящий из одного редокс-состояния в другое (то есть окисляющийся или восстанавливающийся). Необходимо отметить, что структурная, периодически повторяющаяся единица цепи полимера P и рассматриваемый фрагмент Pn не всегда идентичны. Последний может содержать n структурных фрагментов P, причем n может быть и нецелым числом.
В результате редокс-реакции с участием Pn образуется катион (анион) радикал, а затем, возможно, и ди-катион (дианион):
Так же как и в химии окислительно-восстановительных реакций мономерных молекул, катион-радикальный фрагмент полимера может вступать в реакцию диспропорционирования:
Реакция диспропорционирования зависит от температуры и других параметров, в том числе от природы и характера взаимодействия с противоионами. Таким образом, в одном и том же полимере за счет реакций диспропорционирования могут встречаться различные редокс-состояния фрагментов.
Ион-радикалы и диионы, образующиеся в соединениях с разветвленной системой л-связей, способны к образованию комплексов с переносом заряда с исходными незаряженными соединениями (если этому не препятствуют пространственные факторы). Образование подобного комплекса из двух фрагментов демонстрирует следующее уравнение:
Важно понимать, что электронные свойства полимерного материала определяются как взаимодействием отдельных молекул одной цепи, так и переносзарядными взаимодействиями между фрагментами различных цепей.
Когда электрон удаляется из валентной зоны полимера с системой сопряженных связей, возникающая при этом вакансия («дырка» или катион-радикал) не претерпевает полной делокализации, как это можно было бы ожидать, основываясь на классической зонной теории. Происходит только частичная делокализа-ция, распространяющаяся на фрагмент Pn и вызывающая структурную деформацию этого участка полимера. Уровень энергии, соответствующий возникшему катион-радикалу, по сути дела представляет собой уровень дестабилизированной связывающей орбитали, следовательно, он выше энергии верхней границы валентной зоны и попадает в запрещенную зону (рис. 3). Это увеличение энергии напоминает увеличение энергии заполненной связывающей молекулярной орбитали после удаления с нее электрона.
Катион-радикал, частично делокализованный по фрагменту полимера, называется поляроном. Он стабилизируется, поляризуя окружающую среду, оправдывая свое название.
Рис. 3. Схема возникновения уровней энергии поляронов и энергетических зон биполяронов
Если следующий электрон удаляется из уже окисленного полимера, содержащего полярон, события могут развиваться двояко:
1) электрон удаляется из другого участка полимерной цепи и возникает новый, независимый от первого полярон;
2) электрон удаляется из того участка полимерной цепи, где уже присутствует полярон (речь идет о неспа-ренном электроне, образовавшемся в процессе возникновения первого полярона), при этом образуется дикатион, называемый биполяроном. Первоначально при окислении полимера в основном происходит образование поляронов. При увеличении окисленности полимера возможно и образование биполяронов.
Возникновение биполярона также вызывает структурную деформацию окружающей среды. Два положительных заряда биполярона не являются независимыми, они функционируют как пара. Как поляроны, так и биполяроны мобильны и под действием электрического поля способны двигаться вдоль полимерной цепи путем реорганизации двойных и одиночных связей в сопряженной системе:
При образовании большого количества биполяронов их энергетические уровни начинают перекрываться, образуя узкие биполяронные зоны в границах запрещенной зоны (см. рис. 3). В случае полипиррола при низких уровнях окисления полимера происходит образование парамагнитных поляронов. При увеличении уровня окисления поля-роны преобразуются в биполяроны, каждый из которых локализуется на протяжении примерно четырех пиррольных колец. Заряженный фрагмент из четырех пиррольных колец может двигаться вдоль полимерной цепи за счет реорганизации системы двойных и одиночных связей. Ниже показаны полярон и биполярон в молекуле полипиррола:
Поляронная теория проводимости ныне признана основной моделью переноса заряда в полимерах. Необходимо, однако, отметить, что она была развита для полимеров с недостижимой в реальных условиях идеальной структурой.
Редокс-Полимеры
Большинство из известных к настоящему времени редокс-полимеров - это металлокомплексные соединения, получение которых, как правило, осуществляют путем электрохимической полимеризации исходных мономерных комплексных соединений, имеющих как октаэдрическую, так и плоско квадратную конфигурацию. В качестве примера редокс-полимеров, получаемых из октаэдрических исходных комплексных соединений, можно привести полипиридиновые комплексы состава poly-, где Me = Co, Fe, Ru, Os; L = v-bpy (4-винил-4"-метил-2,2"-бипиридин), фенан-тролин-5,6-дион, 4-метилфенантролин, 5-аминофе-нантролин, 5-хлорфенантролин (x+y=3). Указанные соединения получают путем электрохимического восстановления мономерных комплексов, при котором первоначально образуются радикальные промежуточные частицы, далее взаимодействующие между собой или с молекулами исходного комплекса. Это показано ниже на примере образования полимера из октаэдрического комплекса с 5-хлорфенантролиновыми лигандами:
Сшивка исходных молекул происходит по трем направлениям в соответствии с их геометрией, в результате чего полимер имеет трехмерную структуру. Примером редокс-полимеров, получаемых из плоскоквадратных металлокомплексов, могут служить соединения poly-, где Schiff - четырехдентатные (то есть образующие с металлическим центром четыре связи) основания Шиффа:
Указанные полимерные комплексы получают путем электрохимического окисления мономерных мо¬лекул. Образование связей между фрагментами можно в первом приближении рассматривать с точки зрения донорно-акцепторного взаимодействия между лигандом одной молекулы и металлическим центром другой; в результате происходит образование так называемых одномерных или стековых макромолекул. Внешне совокупность таких макромолекул представляет собой твердую прозрачную пленку на поверхности электрода, имеющую различный цвет в зависимости от природы металла и наличия заместителей в структуре лиганда.
Перенос заряда в редокс-полимерах
Редокс-центрами (атомами, участвующими в окислительно-восстановительных реакциях в полимере) являются ионы металла, которые могут находиться в различном зарядовом состоянии. Так, комплексы металлов, имеющих только одно возможное зарядовое состояние (цинк, кадмий), не образуют редокс-полимеров. Необходимым условием проводимости редокс-полимеров является наличие в лигандном окружении комплексов разветвленной системы сопряженных л-связей, служащих проводящими мостами между редокс-центрами. Когда редокс-полимер полностью окислен или полностью восстановлен, то есть все его редокс-центры находятся в одном зарядовом состоянии, перенос заряда по цепи полимера невозможен и проводимость близка к нулю. Когда редокс-центры имеют разное зарядовое состояние, между ними возможен обмен электроном подобно тому, как это происходит в растворах при протекании окислительно-восстановительных реакций. Отсюда проводимость редокс-полимеров пропорциональна константе скорости самообмена электроном между редокс-центрами (kco) и концентрациям окисленных и восстановленных центров ( и ) в полимере:
Проводимость ~ kco
Проводимость максимальна при одинаковых концентрациях окисленных и восстановленных редокс-центров, что соответствует условиям, когда редокс-система имеет стандартный окислительно-восстановительный потенциал E0(/). Существование редокс-центров в различных зарядовых состояниях послужило основанием для использования по отношению к редокс-полимерам на основе координационных соединений названия «смешанно-валентные» или «частично-окисленные» комплексы. Переход молекул редокс-полимера из окисленного в восстановленное состояние сопровождается, подобно тому как это описано выше для проводящих полимеров (см. рис. 2), выходом зарядкомпенсирующих противоионов из полимера в раствор электролита, в котором проводится процесс, и наоборот.
В целом проводимость редокс-полимеров существенно меньше проводимости органических металлов и достигает величин порядка 10 -2 - 10 -3 С/см. Это связано со многими причинами, одной из которых является ограниченность скоростей редокс-реакций. Однако наряду с этим недостатком редокс-полимеры имеют и серьезные преимущества:
1) металлокомплексы в целом по сравнению с органическими соединениями предоставляют значительно более широкие возможности для управления свойствами полимеров за счет варьирования природы (электронной структуры) металлического центра. В качестве одного из многочисленных примеров, подтверждающих данное положение, можно привести существенное расширение числа оптических электронных переходов в металлокомплексах по сравнению с органическими соединениями за счет появления переходов лиганд - металл и интервалентных переходов. Это открывает новые возможности управления оптическими свойствами полимеров с помощью электрического управляющего сигнала;
2) некоторые из металлокомплексов, например , являются аналогами важнейших природных ферментов-биокатализаторов, в частности окси-геназы и пероксидазы. Это позволяет прогнозировать создание на их основе новых полимерных электрокаталитических систем, отличающихся высокой эффективностью и селективностью работы, характерной для биокатализаторов.
Некоторые направления использования проводящих полимерных соединений
Химические источники тока
Аккумуляторные батареи (рис. 4, а) были одним из первых коммерческих продуктов, основанных на применении проводящих полимерных соединений. В качестве материала положительного электрода в них используют полипиррол, политиофен или полианилин. Материалом для изготовления отрицательных электродов обычно служат литий или его сплавы (например, с алюминием).
В процессе разряда аккумулятора электроны двигаются от отрицательного электрода к положительному по внешней цепи. При этом литий окисляется, переходя в электролит в виде положительно заряженных ионов, полимерное соединение восстанавливается, что сопровождается переходом зарядкомпенсирующих анионов из полимера в электролит. При заряде аккумулятора от внешнего источника тока на электродах протекают обратные процессы.
Электролитом может быть как солевой раствор на основе пропиленкарбоната, часто использующегося как растворитель в источниках тока, так и полимерная мембрана, насыщенная соответствующей солью лития (твердый полимерный электролит). В последнем случае аккумулятор вовсе не содержит жидкой фазы, что делает его наиболее безопасным и удобным.
Рис. 4. Применение проводящих полимерных соединений: а - в химических источниках тока; б - в электрокаталитических системах
Электрокаталитические системы
Основным направлением использования проводящих полимеров и редокс-полимеров в каталитических системах является разработка химически модифицированных электродов (ХМЭ). ХМЭ представляет собой электрод из химически инертного материала с нанесенным на его поверхность слоем проводящего соединения, являющегося каталитически активным по отношению к протекающей в системе электрохимической реакции (см. рис. 4, б). Метод химической модификации электродов позволяет расширить круг традиционно применяемых электродных материалов (весьма, кстати, небольшой), увеличить избирательность их действия, реализовать возможность создания материалов с заранее заданными свойствами. В настоящее время ХМЭ на основе проводящих полимерных соединений используют для каталитического окисления метанола и предельных углеводородов в мягких условиях, восстановления галогенопроизводных предельных углеводородов, восстановления диоксида углерода, катализа редокс-реакций с участием биомолекул (энзимов и коэнзимов).
Управляемые оптические устройства
Одной из замечательных особенностей пленок проводящих полимерных соединений является их способность изменять свои оптические характеристики, в частности цвет, при изменении уровня окисления. Если уровень окисленности полимера регулируется потенциалом электрода, на который этот полимер нанесен, оптическими характеристиками полимера можно управлять с помощью электрического сигнала - проявляется так называемый электрохромный эффект. В частности, редокс-полимеры на основе комплексов при переходе из окисленного в восстановленное состояние изменяют свой цвет с темно-зеленого, оранжевого, красно-коричневого, синего (в зависимости от природы металлического центра и лигандного окружения) на желтый различных оттенков. Нанося электрохромные полимерные материалы методом электрополимеризации на оптически прозрачные электроды (кварцевые пластины с напыленным слоем прозрачных электропроводных оксидов олова и индия), можно получать электрохромные системы для использования в цветных дисплеях, затворных и фильтрующих оптических устройствах.
Хемотронные и сенсорные устройства
На рис. 5, а представлена схема микроэлектрохимического транзистора, основанного на применении электрохимически активного полимерного материала (проводящего полимера или редокс-полимера). Устройство состоит из двух металлических (золото или платина) микроэлектродов, находящихся на расстоянии порядка 1 мкм в слое полимера. Важнейшей характеристикой полимерного материала является то, что его проводимость зависит от степени его окисленности, которая контролируется потенциалом управляющего электрода Uу. Принцип действия микроэлектрохимического транзистора полностью аналогичен принципу действия обычных транзисторов. При изменении управляющего напряжения Uу электрохимически активный полимер окисляется или восстанавливается. При этом изменяется его проводимость, а следовательно, изменяется и величина тока, протекающего между электродами Iэ при постоянной величине напряжения Uэ.
На рис 5, б приведена вольт-амперная характеристика (зависимость между током Iэ и управляющим напряжением Uу) для микроэлектрохимического транзистора с редокс-полимером. Ток Iэ протекает только в узком диапазоне управляющих напряжений, обычно в пределах 100 мВ от стандартного потенциала E° редокс-пары, присутствующей в полимере. Максимальное значение тока достигается именно при Uу = E°, так как именно это состояние системы соответствует равным концентрациям окисленных и восстановленных центров полимера, то есть его максимальной проводимости.
Рис. 5. Схема микроэлектрохимического транзистора с применением редокс-полимера (а) и вольт-амперная характеристика транзистора (б)
Редокс-полимерные соединения как материалы для микроэлектрохимических устройств имеют по сравнению с проводящими полимерами два преимущества: узкая область напряжений, при которых происходит включение транзистора, и чувствительность к составу среды, в которой протекают редокс-реакции полимера. Первое преимущество определяет возможность функционирования транзистора в заданном узком диапазоне управляющих напряжений. Разнообразие имеющихся редокс-систем с разными значениями стандартных потенциалов дает возможность выбора необходимого диапазона. Зависимость свойств редокс-полимера от состава и концентрации компонентов электролита (кислорода, pH) открывает возможности создания на базе рассматриваемых устройств электрохимических сенсорных элементов. Поскольку при переходе к нанотехнологическим методам производства хемотронных устройств расстояния между электродами могут быть уменьшены до величин порядка нанометров, малосущественным, очевидно, станет и отставание редокс-полимеров от органических металлов по проводимости.
Синтез и изучение новых проводящих полимерных со¬единений - сравнительно молодое и прогрессирующее направление исследований, находящееся на стыке различных областей химии (координационная химия, электрохимия, органическая химия, катализ, химия твердого тела) и физики (теория проводимости, физика твердого тела, оптика). Современное состояние данного научного направления можно охарактеризовать как период интенсивного накопления информации о новых полимерных материалах, их свойствах и способах применения, период создания модельных устройств. Дальнейшее развитие химии проводящих полимерных соединений приведет к появлению на их основе принципиально новых промышленных каталитических, электронных и оптоэлектронных систем.
А. М. Тимонов, С. В. Васильева
Российский государственный педагогический университет им. А.И. Герцена, Санкт-Петербург
Соросовский образователный журнал. 2000. Т. 6, № 3