وبلاگ

انگلیسی

79

فصل اول
کلیات پژوهش
بسیاری از پلیمرهایی كه در گذشته مورد استفاده قرارمی‌گرفتند پلاستیك‌ها بودند. ویژگی­های این پلیمرها با فلزات تفاوت‌های بسیاری دارد و این پلیمرها رسانای ­جریان ­الكتریكی نمی‌باشند. بنابراین تا مدت­ها تصور بر این بود که پلیمرها نارسانا هستند­ تا اینكه آلن­جی­هیگر، آلن­جی­مك­دیارمید و هیدكی­شیراكاوا این نگرش را با كشف پلیمرهای رسانا تغییر دادند. پلی­استیلن یك پودر سیاه رنگ است كه در سال 1974 به صورت یك فیلم نقره‌ای توسط شیراكاوا و همكارانش از استیلن با استفاده از یك كاتالیزگر زیگلر- ناتا تهیه شد اما این پلیمر برخلاف ظاهر فلز مانندش رسانای جریان الكتریسیته نبود. در سال 1977 شیراكاوا، مك­دیارمید و هیگر متوجه شدند كه بوسیله‌ی اكسید­كردن پلی­استیلن با بخار كلر، برم یا ید فیلم‌های پلی­استیلن تا 109 برابر رساناتر می‌شوند (شیراکاوا وهمکاران، 1977). این واكنش با هالوژن‌ها به دلیل شباهت با فرآیند دوپه­شدن نیمه­رساناها دوپینگ نامیده­ شد. قدرت رسانایی فرم دوپه­شده‌ی پلی­استیلن S.m-1105 بود كه بالاتر از پلیمرهای شناخته شده‌ی قبلی قرار داشت. سرانجام در سال 2000 جایزه­ی نوبل شیمی به آن­ها به خاطر كشف پلیمرهای رسانا اهدا­­ شد. این اكتشاف باعث شد دانشمندان توانایی تركیب ویژگی­های نوری و الكترونیكی نیمه­رساناها و فلزات را با ویژگی­های مكانیكی و فرآیندپذیری آسان پلیمرها پیدا كنند. بنابراین توجه بسیاری از پژوهشگران به این زمینه جلب و این امر باعث رشد سریع و چشمگیر آن شد. مزایای استفاده از پلیمرهای­ رسانا در وزن كم، ارزان­ بودن و از همه مهمتر فرآیندپذیریِ آسان آن‌هاست. رسانایی الكتریكی این مواد حدواسط بین نیمه­رساناها و فلزات می‌باشد. شکل (1-1) این محدوده را نشان می­دهد.
در واقع پلیمرهای ­رسانا، پلیمرهایی هستند كه بدون افزایش مواد رسانای معدنی قابلیت رسانایی جریان الكتریسیته را دارند (سیتارام و همکاران، 1977). همانگونه که در شکل (1-2) نشان­داده شده از جمله مهمترین این پلیمرها پلی­استیلن(PA) ، پلی­پارافنیلن (PP)، پلی­آنیلین (PANI)، پلی­پایرول (PPy)، پلی­تیوفن (PTh) و مشتقات آن‌ها می‌باشند (کمپبل و همکاران، 1977).
یك ویژگی كلیدی و مهم پلیمرهای رسانا حضور پیوندهای دوگانه مزدوج در طول زنجیر پلیمر است. در مولكول‌های مزدوج پیوندهای بین اتم‌های كربن به صورت یك در میان یگانه و دوگانه هستند. در این مولكول‌ها هر پیوند یک­گانه شامل یك پیوند سیگمای (σ) مستقر كه از یك پیوند شیمیایی قوی ساخته شده است می‌باشد علاوه بر این هر پیوند دوگانه شامل یك پیوند π غیرمستقر ضعیف‌تر هم هست است اما مزدوج بودن برای رسانایی این پلیمرها كافی نیست و دوپه­شدن این پلیمرها نیز برای رسانا كردن آن‌ها لازم است.
امروزه این پلاستیك‌های رسانا در صنایع مختلفی مانند پوشش‌های ضد خوردگی، سوپرخازن‌ها، پوشش‌های آنتی­استاتیك و پنجره‌های هوشمند كه مقادیر مختلف نور را از خود عبور می‌دهند مورد استفاده قرارمی‌گیرند. نسل دوم پلیمرهای رسانا در زمینه‌هایی مانند

 ترانزیستورها، دیودهای نشركننده‌ی نور، نمایشگرهای تلویزیونی مسطح و سلول‌های خورشیدی و غیره به كار می‌روند.

• مكانیسم رسانایی

الكترون‌های غیرمستقر در ساختار پلیمرهای­ رسانای مزدوج از طریق همپوشانی اوربیتال‌های π باعث ایجاد یك سیستم π پیوسته در طول زنجیر پلیمری با یك نوار ظرفیتی پر می‌شوند. بوسیله‌ی حذف الكترون‌ها از این سیستم π (p-doping) و با افزایش الكترون‌ها به آن (n-doping) یك واحد باردار به نام بای­پلارون ایجاد می‌شود. شکل (1-3) دوپینگ نوع P زنجیر پلی­تیوفن را نشان می­دهد.
) بای­پلارون تولید می­کند (ویکی­پدیا). p شكل (1-3) گرفتن دو الکترون از زنجیر پلی­تیوفن (دوپینگ نوع
بای­پلارون ایجاد شده در طول زنجیر پلیمری حركت می‌كند و این امر باعث رسانایی جریان الكتریسیته در پلیمرها می‌شود. معمولاً دوپه­شدن در پلیمرهای ­رسانا در سطوح بالاتری (%40-20) نسبت به نیمه­رساناها (%1<) انجام می‌شود. برای تعدادی از نمونه‌های پلی­(3-­دودسیل­تیوفن) دوپه­شده رسانایی S.cm-1 1000 مشاهده شده ­است (در مقایسه رسانایی مس تقریباًٌ S.cm-1 105×5 می‌باشد). عموماً رسانایی PThها كمتر از S.cm-1 1000 می‌باشد اما رسانایی بالا برای بسیاری از كاربردهای پلیمرهای رسانا لازم نیست (ماستاراگوستینو و سودو1990؛ احمد و مک­دیارمید، 1996).

• دوپه­شدن و انواع آن

تزریق بار به زنجیر پلیمرهای ­رسانا (دوپه­شدن) منجر به پدیده‌های مهم و قابل­توجه بسیاری می‌شود (هیگر، 2001).
1-2-1- دوپه­شدن شیمیایی
دوپه­شدن شیمیایی پلیمرهای ­رسانا شامل انتقال بار شیمیایی (اكسیداسیون (p-type doping)، كاهش (n-typedoping)) بوسیله­ی یک اکسنده خارجی می­باشد که در شکل (1-4) نشان­داده شده­ است (شیراکاوا و همکاران، 1977؛ چیانگ و همکاران، 1977؛ چیانگ و همکاران، 1978).
شکل(1-4) دوپه­شدن شیمیایی(هیگر، 2001).
وقتی سطح دوپه­شدن به مقدار كافی بالا باشد ساختار الكترونیكی این پلیمرها مشابه فلزات می‌شود (هیگر، 2001).
1-2-2- دوپه­شدن الكتروشیمیایی                                                                    
در دوپه­شدن الكتروشیمیایی الكترود بار لازم برای اكسایش و كاهش پلیمرهای ­رسانا را فراهم می‌كند و سطح دوپه­شدن بوسیله‌ی ولتاژ بین پلیمر ­رسانا و جفت الكترود تشخیص داده می‌شود (هیگر و همکاران، 1979؛ جونز و همکاران، 1979؛ بچ و همکاران، 1979). شکل (1-5) دوپه­شدن الکتروشیمیایی را نشان می­دهد.
شکل (1-5) دوپه­شدن الکتروشمیایی (هیگر، 2001).
1-2-3- دوپه­شدن نوری       
همانگونه که شکل (1-6) نشان می­دهد در دوپه­شدن نوری، پلیمرهای رسانا به صورت موضعی توسط جذب نور و جدایی بار اكسایش و كاهش پیدا می‌كنند.
شکل(1-6) دوپه­شدن نوری (هیگر، 2001).
*در این معادله y تعداد جفت حفره‌های الكترونی است (مک­دیارمید، 2001).
فرآیند دوپه­شدن تحت تاثیر عوامل مختلفی مثل طول پلارون، طول زنجیر، انتقال بار به مولكول‌های مجاور و طول رزونانسی می‌باشد (مبارکه و همکاران، 2011). همچین ویژگی­های پلیمرهای رسانایِ دوپه­شده هم بستگی به نوع و سایز مولكول دوپه­کننده دارد (سینها و همكاران، 2009؛ رینا و همكاران، 2009). در سال 2009 سینها و همكارانش بیان ­كردند كه حلالیت PANI دوپه­شده به سایز مولكول دوپه­کننده وابسته ­است و با افزایش طول زنجیر دوپه­کننده حلالیت آن افزایش می‌یابد (سینها و همکاران، 2009). جنگ و همكارانش در سال 2004 PPy محلول در حلال‌های آلی را با دوپه­کننده­هایی مثل نمك­سدیم­نفتالن­سولفونیك­اسید، نمك­سدیم­دودسیل­بنزن­سولفونیك­اسید، نمك­سدیم­بوتیل­نفتالن­سولفونیك­اسید و نمك­سدیم­دی2-اتیل­هگزیل­سولفوسوكسینیك­اسید سنتز كردند (جنگ و همکاران، 2004). همچنین در سال 2008 گروه لیو PPy دوپه­شده با مونو و دی­سولفونیك­اسیدهای­نفتالن را به صورت درجا تهیه ­كرده و پایداری حرارتی PPyهای دوپه­شده با دوپه­کننده­های مختلف را بررسی ­كردند. نتایج نشان ­داد كه پایداری حرارتی PPy به مقدار زیادی بستگی به نوع و غلظت عامل دوپه­کننده دارد (لیو و همکاران، 2008).

• ویژگی­های جدید و تكنولوژی­های جدید

در اواخر دهه‌ی 1970 كه پلیمرهای مزدوج معرفی شدند ادعا شد كه منجر به ایجاد نسل جدیدی از ابزارهای الكترونیكی و اپتیكی می‌شوند. اكنون با ایجاد تكنولوژی­هایی همچون دیودهای نوری پلیمری (LEDها) (بروگس و همکاران، 1990) و ترانزیستورهای آلی (هانگ و همکاران، 2011؛ باسیریکو وهمکاران، 2011؛ شین و همکاران، 2012) مشخص شده كه وقوع این صنایع جدید حتمی است. پلیمرهای رسانا دارای پایداری محیطی و گرمایی می‌باشند لذا می‌توان از آن‌ها به عنوان مواد ­رسانای الكتریكی، ابزارهای اپتیكی (جنگ و اُه 2005)، LEDهای پلیمری (کیم و همکاران، 2003؛ کیم و همکاران، 2005؛ جو و همکاران، 2003)، پنجره‌های الكتروكرومیك یا هوشمند (آرگون و همکاران، 2003؛ آرگون و همکاران، 2004؛ چو و همکاران، 2005)، مقاومت‌های نوری، پوشش­های ضد خوردگی (امراد و همکاران، 2009؛ کاستاگنو و همکاران، 2009)، حس‌گرها (امیر و آدِلوجو، 2005؛ لِلوچه و همکاران، 2005)، سلول‌های خورشیدی (کوآکلِی و مک­­جِهِی، 2004؛ یین وهمکاران، 2010) و فوتوولتایی، الكترودها (دی­آرمنتیا و همکاران، 1999؛ جلال، 1998)، مواد جاذب امواج­ مایكرویو، انواع جدیدی از حافظه‌ها (مولر و همکاران، 2003)، نانوسوئیچ‌ها (وونگ و کوردارو، 2011؛ نیومن و همکاران، 2004) و دریچه‌ها، مواد عكاسی، اتصالات الكترونیكی پلیمری، خازن‌ها (جورِویز و همکاران، 2001؛ پارک و همکاران، 2002) ابزارهای الكترونیك و نوری و ترانزیستورها (وِرِس و همکاران، 2004؛ فکچتی و همکاران، 2004) استفاده كرد. شکل (1-7) کاربردهای مختلف پلیمرهای رسانا را نشان می­دهد.