استفاده از پلیمرهای ذاتاً رسانا در صنعت الکترونیک

صنعت پلیمر به صورت یک صنعت پویا روزبه‌روز در حال گسترش و پیشرفت و ارائه فرآورده‌های جدید و روش‌های نوین در تولید مواد است. این موضوع در صنعت الکترونیک نیز با ظهور کوچک‌سازی قطعات، خود را به‌روشنی نمایش می‌دهد.

پلیمرهای ذاتاً رسانا

به‌وسیله دوپه کردن زنجیر اصلی یک پلیمر رسانا، زنجیری با الکترون‌های آزاد در پلیمر ایجاد می‌شود که می‌تواند بار را به شیوه‌ای همانند فلزات انتقال دهد. به‌عبارت‌دیگر این مواد بدون افزودن مواد و افزودنی‌های هادی، رسانای الکتریسیته هستند. این پلیمرها در ساختار مولکول خود پیوندهای ساده و دوگانه به صورت یک‌در‌میان دارند. برخی از این پیوندهای دوگانه آزاد می‌شوند و ابرهای الکترونی در طول زنجیر پلیمر تحرک پیدا می‌کنند. در این روش در زنجیر اصلی پلیمر، الکترون‌های آزادی وجود دارند که بارها را شبیه فلزات انتقال می‌دهند. این روش ویژه پلیمرهایی است که زنجیره اصلی یا گروه جانبی وظیفه تهیه و پخش حامل‌های الکتریکی را به عهده‌دارند. برتری بیش‌تر مواد تهیه‌شده از این روش تغییر رسانایی الکتریکی نمونه با کنترل میزان اکسایش و احیاست. پلی‌استیلن نخستین پلیمری است که با به‌کارگیری این فرآیند رسانا شد. پلیمری که با به‌کارگیری این فرآیند رسانا شد، رسانایی تا یک‌میلیون برابر استیلن معمولی دارد. این در حالی است که در پلی‌استیلن، رسانایی الکتریکی ویژه می‌تواند به    زیمنس بر سانتی‌متر (S/cm)  هم برسد. ازآنجایی‌که این میزان رسانایی به حد رسانایی مس می‌رسد، این‌گونه پلیمرها را فلز مصنوعی نیز می‌توان نامید. پلیمرهای ذاتاً رسانای دیگر مانند پلی‌پارافنیلین، پلی‌آنیلین، پلی‌پیرول، پلی‌تیوفن که میزان رسانایی آن‌ها به چند درصد زیمنس بر سانتی‌متر می‌رسد نیز در خانواده مواد نیمه‌رسانا قرار دارند.
تاکنون فعالیت‌های زیادی بر روی پلیمرهای رسانا انجام‌گرفته است. در سال 1981 نخستین باتری با الکترودهای پلیمری مطرح شد تا آن‌که در سال 1987 رسانایی در پلیمر رسانا در تحقیق شرکت BASF آلمان به بیش‌ترین مقدار زمان خود و به‌اندازه رسانایی در مس رسید. کشف این نکته که پلی‌فنیلن نیز مانند پلی‌استیلن قابلیت رسانایی الکتریکی در اثر دوپه شدن را دارد، دنیای جدیدی را در پلیمرهای رسانا گشود و پس‌ازآن مونومرهای آروماتیک دیگر مانند پلی‌فنیل‌سولفاید، پلی‌پیرول، پلی‌تیوفن و پلی‌آنیلین که همگی مونومرهای آروماتیک هستند در جرگه پلیمرهای رسانا درآمدند.
پیش‌بینی می‌شد که کشف انقلابی پلیمرهای ذاتاً رسانا منجر به گسترش به‌کارگیری این مواد در صنعت شود ولی به چند دلیل این پدیده رخ نداد. مهم‌ترین دشواری، پایداری بسیار کم رسانایی الکتریکی این پلیمرها بود. برای نمونه در پلی‌استیلن، پس از چند هفته، رسانایی به‌اندازه توان‌هایی از 10 کاهش می‌یابد. دلایل دیگر غیرقابل ذوب و نامحلول بودن این پلیمرها، فرآیند پذیری ضعیف، ویژگی‌های مکانیکی ضعیف و ناپایداری محیطی آن‌هاست. کامپوزیت‌های پلیمر ذاتاً رسانا از دیگر زمینه‌های جدید در پلیمرهای رسانا هستند. بیش‌تر فیلم‌های پلیمری ذاتاً رسانا بدون استفاده از بستر پلیمری ترمپلاستیک یا ترموست دیگر سخت و شکننده هستند و مواد افزودنی گوناگونی برای بهبود ویژگی‌های فیزیکی، شیمیایی باید به آن‌ها اضافه گردد. با مجاور کردن یک الاستومر اشباع مانند پلی‌بوتادی‌ان یا پلی‌ایزوپرن در مجاورت گاز استیلن، یک سامانه کامپوزیت دوفازی از گستره‌های میکرونی پلی‌استیلن در الاستومر تولید می‌شود. این روند موجب افزایش پایداری محیطی و کاهش رسانایی در پلیمر می‌شود.

تفاوت پلیمرهای ذاتاً رسانا با پلیمرهای معمولی عبارت‌اند از:

1. شکاف انرژی آن‌ها کوچک است (تقریباً از 1 تا 5/3 الکترون‌ولت) بنابراین برانگیختگی به انرژی کم‌تری نیاز دارد و همانند مواد رسانا رفتار می‌کنند.
2. می‌توان آن‌ها را با دوپه‌کننده‌های مولکولی یا اتمی اکسید یا احیا کرد.
3. جنبش حاملان بار در حالت رسانا به‌اندازه کافی زیاد است. به همین دلیل رسانایی الکتریکی در آن‌ها دیده می‌شود.
4. ویژگی‌های الکتریکی و نوری این‌گونه مواد به ساختار الکترونیکی و شیمیایی واحدهای تکراری در آن‌ها بستگی دارد.
5. پلیمرهای ذاتاً رسانا بدون افزودن مواد افزودنی رسانا، هادی جریان الکتریسیته هستند. در این‌گونه پلیمرها با فرآیند دوپه کردن، پلیمری ایجاد می‌شود که دارای زنجیر اصلی نیمه‌رسانا با پیوند دوگانه یک‌درمیان خواهد بود.

به‌عبارت‌دیگر این پلیمرها در ساختار مولکولی خود پیوندهای ساده و دوگانه به صورت یک‌درمیان دارند. برخی از این پیوندهای دوگانه آزاد می‌شوند شو ابرهای الکترونی در طول زنجیر پلیمر تحرک پیدا می‌کنند. در این روش در زنجیر اصلی پلیمر، الکترون‌های آزادی وجود دارند که بارها را مانند فلزات انتقال می‌دهند. این روش ویژه پلیمرهایی است که زنجیر اصلی یا گروه‌های جانبی وظیفه تهیه و پخش حامل‌های الکتریکی را بر عهده‌دارند.
این پلیمرها در گروهی متفاوت از مواد رسانا نسبت به آن‌هایی که عموماً مخلوط فیزیکی یک پلیمر با یک ماده رسانایی کننده نظیر فلز یا پودر کربن هستند قرار می‌گیرند. در ابتدا این پلیمرهای ذاتاً رسانا نه قابل فرآیند کردن و نه پایدار در هوا بودند ولی نسل‌های بعدی این پلیمرها قابلیت فرآیند کردن به صورت پودر، فیلم و الیاف از طیف وسیعی از حلال‌ها و همچنین پایدار در هوا شدند.
برخی گونه‌های این پلیمرهای ذاتاً رسانا می‌توانند با پلیمرهای معمولی آلیاژ شوند و آلیاژهای رسانای الکتریسیته به وجود آورند. رسانایی الکتریکی سامانه‌های پلیمری ذاتاً رسانا از گستره مربوط عایق‌ها    یا کوچک‌تر از آن تا مقادیر مربوط به نیمه‌رساناها مانند سیلیکون (نزدیک به و حتی بزرگ‌تر از    (نزدیک به مقادیر مربوط یخ یک فلز خوب مانند مس) قرار می‌گیرد. جزء الکترونیک متداول پلیمرهای رسانای دوپه نشده، سامانه پیوندهای  یک‌درمیان است که با همپوشانی اوربیتال‌های Pz کربن و طول پیوند کربن-کربن یک‌درمیان به وجود می‌آید.

 پلی‌استیلن Polyacetylene

با نام آیوپاک پلی‌اتین، ساده‌ترین عضو پلیمرهای رساناست و از دیگر پلیمرهای رسانا بیش‌تر بررسی‌شده است. پایین بودن پتانسیل اکسایش پلی‌استیلن موجب ناپایداری آن در هوا شده است. این پلیمر بیش‌ترین رسانایی الکتریکی را در میان پلیمرهای رسانا نمایش می‌دهد. پلی‌استیلن یک زنجیر پیوسته کربن است که یک اتم هیدروژن به هر کربن متصل است. اتم‌های کربن به‌طور یک‌درمیان پیوندهای دوگانه دارند که این پیوندها متناوباً جای خود را عوض می‌کنند و به کربن بعدی منتقل می‌گردند و یک جابه‌جایی بین پیوندهای ساده و پیوندهای دوگانه صورت می‌گیرد که همین موجب رسانایی الکترون می‌شود. پلی‌استیلن ساده‌ترین پلیمر ذاتاً رسانا است. پلیمری است که بیش‌ترین بررسی بر روی آن و دوازده مشتق پلیمری دوپه شده آن (برای رسانایی الکتریکی آن‌ها انجام‌شده است.
این پلیمر آرایش مزدوج دارد به‌طوری‌که در ساختار آن اتم‌های کربن از طریق پیوندهای یگانه و دوگانه یک‌درمیان به یکدیگر متصل شده‌اند. مکان این پیوندها پیوسته با یکدیگر جابه‌جا می‌شود و حدی واسط بین پیوندهای مذکور به وجود می‌آید. از اکسایش ناقص پلی‌استیلن باید و دیگر واکنش‌گرها می‌توان فیلم‌های پلی‌استیلنی تهیه کرد که 10 مرتبه رساناتر از پلی‌استیلن اولیه باشند.

 

پلی‌‌پیرول Polypyrrole

از اکسایش پیرول با H2O2 پلیمریزه شد. در بین پلیمرهای رسانا، به پلی‌پیرول به علت زیست سازگاری، آسانی پلیمریزه شدن و پایداری شیمیایی بیش‌تر از پلی‌استیلن توجه شده است.
ویژگی شیمیایی ساختار پلی‌پیرول توانایی خاص و پاسخ به اختصاصی بودن آن است. این ویژگی‌ها نشان می‌دهند که پلیمر رسانا با مواد دیگر در ساختار تداخل می‌کند و مواد کامپوزیتی را تشکیل می‌دهد. 

پلی‌آنیلین Polyaniline

از میان پلیمرهای رسانا، پلی‌آنیلین به دلیل ویژگی‌هایی مانند سنتز آسان، قیمت پایین، کاربرد گسترده و کارایی بالای پلیمریزه شدن نگاه‌ها را به خود جلب کرده است. ویژگی‌های الکتریکی، الکتروشیمیایی و نوری پلی‌آنیلین آن را به ماده‌ای جذاب برای کاربرد در صنایع الکترونیکی پوشش‌های ضد الکتریسیته ساکن و پوشش‌های ضد خوردگی تبدیل کرده است. پلی‌آنیلین از اکسایش آندی آنیلین روی الکترود پلاتین تهیه شد.
پلی‌آنیلین‌ها گروهی از پلیمرها با ساختار عمومی زیر و شامل تکرار گروه‌های احیاشده فنیل دی آمین و گروه‌های اکسیدشده کینوییددی‌ایمین هستند. مقدار y می‌تواند از حالت 1 (کاملاً احیاشده) تا صفر (کاملاً اکسیدشده) باشد.

 

پلی‌تیوفن Polythiophene

تیوفن یک ترکیب هتروسیکل آروماتیک است که شامل چهار اتم کربن و یک اتم گوگرد هست. آنالوگ‌های تیوفن شامل فوران و پیرول می‌باشند که در آن‌ها اتم گوگرد جایگزین اکسیژن و نیروژن شده است. در حقیقت وقتی یک آروماتیک تحت اکسایش الکتروشیمیایی ناجورحلقه قرار بگیرد اغلب ایجاد فیلم پلیمری با خاصیت رسانایی الکتریکی در سطح الکترود منجر می‌شود. تاکنون از مولکول‌های آلی زیادی ازجمله تیوفن و پیرول فیلم‌های رسانای پلیمری تهیه‌شده است. رسانایی پلی‌تیوفن و پلی‌پیرول به ضخامت فیلم پلیمری بستگی دارد، هر چه ضخامت بیش‌تر باشد میزان رسانایی نیز بیش‌تر خواهد بود. معمولاً پلی‌تیوفن را با به‌کارگیری اکسیدکننده‌های مناسب تهیه می‌کنند.
اکسایش الکتروشیمیایی ناجور حلقه‌های آروماتیک، بنزن مانندها و نابنزن‌مانندها اغلب به‌عنوان فیلم پلیمری با خاصیت رسانایی الکتریکی در سطح الکترود منجر می‌شود.
فیلم‌های نازک پلیمری هنگامی‌که روی الکترود کشیده می‌شوند می‌توانند به صورت الکتروشیمیایی بین حالت‌های اکسایش (رسانا) و خنثی (نیمه‌رسانا) چرخش کنند. فیلم‌های ضخیم‌تر را می‌توان در حالت اکسید، به‌عبارت‌دیگر حالت رسانا، تهیه و سپس از الکترود جدا کرد. تاکنون از مولکول‌های گوناگون فیلم‌های رسانای پلیمری گوناگون تهیه‌شده‌اند. ناجور حلقه‌هایی مانند پیرول، تیوفن، ایندول، تیانفتالن و کاربازول از آن جمله‌اند.
فیلم‌های پلیمری رسانا هم‌چنین از بنزن مانندهای چند حلقه‌ای و هیدروکربن‌های نابنزن‌مانند آزولن، فلورین، تری‌فنیلن، و پیرول نیز تهیه‌شده‌اند.

 

پلی‌فوران Polyfuran

همان‌گونه که ذکر شد از چند سال گذشته به ترکیبات پلیمرهای ناجورحلقه آروماتیک (پلی‌هتروآروماتیک) بیش‌تر توجه شده است. زیرا این ترکیبات رسانایی الکتریکی زیاد، پایداری شیمیایی خوب و هم‌چنین واکنش‌پذیری مناسب دارند. در حقیقت این پلیمر جزء دسته‌ای جدید از پلیمرهاست که با روش الکتروشیمیایی ساخته می‌شوند. ازجمله این پلیمرها افزون بر پلی‌پیرول، پلی‌تیوفن، پلی‌فوران و پلی‌آزولن می‌توان به پلی‌سلنوفن و پلی‌ایندول نیز اشاره کرد. در اثر پلیمریزه شدن شیمیایی فوران به کمک کاتالیزور اسیدی، فیلم‌های نازک و شکننده تولید می‌شوند که درجه مزدوج بودن پلیمر در آن‌ها کم است. این پلیمر واحدهای فوران هیدروژن‌دار شده گوناگون دارد و نمی‌توان آن را به حالتی با رسانایی زیاد دوچه کرد. مقدار حلقه‌گشایی فوران در شرایط سنتز، به دلیل خصلت آروماتیکی کم‌تر (انرژی بیش‌تر) آن از پیرول و تیوفن بیش‌تر است. بنابراین ساختار پلی‌فوران به‌دست‌آمده با ساختار قابل‌انتظار زیر سازگاری ندارد.

 

کاربرد پلیمرهای ذاتاً رسانا

کاهش الکتریسیته ساکن و ایجاد سپری در برابر میدان‌های مغناطیسی دو زمینه مهم از کاربردهای پلیمرهای رسانا در گذشته بوده‌اند.
این پلیمرها دو گروه کاربردی مهم دارند: در گروه اول از رسانایی الکتریکی و در گروه دوم از فعالیت الکتریکی (الکترواکتیویته) به‌عنوان مهم‌ترین ویژگی استفاده می‌شود. سامانه‌های  در این پلیمرها حساسیت بالایی به اکسایش یا احیای شیمیایی یا الکتروشیمیایی دارند. این‌ها ویژگی‌های الکتریکی و ویژگی‌های بهینه پلیمر را دگرگون می‌کنند و با کنترل اکسایش و کاهش می‌توانند ویژگی‌ها را دقیقاً کنترل کنند. این واکنش‌ها عموماً برگشت‌پذیرند بنابراین کنترل نظام‌مند الکتریکی و بهینه‌سازی ویژگی‌های با دقت بسیار بالا ممکن است. همچنین ممکن است پلیمر از حالت رسانا به حالت عایق تبدیل شود.

 

• کاربردهای پزشکی
• کاربردهای نظامی (کلاه‌خودهای نظامی، انحراف امواج رادار)
• حفاظت از تخلیه بار الکتریسیته ساکن (کامپوزیت‌های آنتی‌استاتیک، اتلاف‌کننده‌های استاتیک، کامپوزیت‌های پلیمری رسانا، سپرهای محافظتی در برابر تداخل امواج الکترومغناطیس و رادیویی)
• حس‌گرها (حس‌گرهای گازی، زیست حسگرها)
• دیودهای نور گسیل و الکتروکرومی (نورافشانی فوتونی، نورافشانی کاتدی، نورافشانی الکتریکی)
• سلول‌های خورشیدی
• رساناکننده جریان
• باتری‌های قابل شارژ
• ذخیره اطلاعات
• کاربردهای ضد خوردگی
• وسایل الکنروکرمیکی
• ابرخازن‌ها

در مقالات بعد درباره کاربردهای پلیمرهای ذاتاً رسانا به‌تفصیل ذکر خواهد شد.