Vodivé polymery a polovodiče

Co si představit pod pojmem vodivý polymer? Polymery jsou všeobecně známy jako izolanty. V běžných aplikacích se elektrická vodivost polymerních materiálů zvyšuje přidáním vodivého anorganického plniva (často jde o saze nebo grafit). Výsledkem je polymerní kompozit. Plniva se často používají také pro zlepšení jiných vlastností polymerů, zejména mechanických. Kompozity jsou zajímavé a z praktického hlediska významé systémy. Nejsou to ale pravé vodivé polymery.


 

Existuje totiž skupina polymerů, jejichž vlastní vodivost může dosahovat hodnot o 10 i více řádů vyšších, než je vodivost běžných izolantů (a naopak o 4 až 6 řádů nižších než je vodivost kovů). Příprava vodivého polymeru je analogií přípravy anorganického dopovaného polovodiče.


 

Základem jsou nejčastěji polymery s konjugovanými vazbami (pravidelné střídání jednoduchých a dvojných vazeb), kde p-orbitaly příslušející jednotlivým atomům uhlíku umožňují v ideálním případě delokalizaci pi-elektronů po celé délce řetězce (podobně jako jsou delokalizovány pi-elektrony v benzenovém jádru). Elektronové stavy takto vzniklého energetického pásu by měly být zaplněny právě z jedné poloviny (každý původní p-orbital přinesl dva stavy, ale jen jeden elektron). Zcela symetrický stav ale není za běžných teplot energeticky výhodný. Systém snižuje energii elektronů na úkor zvýšení deformační energie polymerního řetězce. Důsledkem je tzv. Peierlsovo rozštěpení na pás zcela zaplněný elektrony a na pás, který je zcela neobsazen. Mezi nimi leží pás zakázaných energií. To připomíná strukturu energetických pásů intrinsického (nedopovaného) polovodiče. Popsaný materiál se za běžné teploty chová jako izolant. Podobně jako při dopování anorganických polovodičů lze vytvořit uvnitř zakázaného pásu příměsové stavy, které zvýší elektrickou vodivost. V případě polymerů jako dopanty slouží různé ionty. Často se provádí dopování kyselinami. Vodivost polymeru se tak může zvýšit o 10 řádů i více, záleží to na konkrétním postupu přípravy.


 

Na našem pracovišti se zabýváme dvěma polymerními sloučeninami: Polyanilinem a polypyrrolem. Studujeme hlavně mechanismy, které se uplatňují při přenosu elektrického náboje. Zkoumáme vliv typu dopantů a způsobu přípravy vzorků na elektrickou vodivost a dlouhodobou stabilitu těchto polymerů. Materiály jsou zkoumány ve formě objemových vzorků i přímo polymerovaných filmů. U filmů poměr povrch/objem vzorku skýtá možnost studovat vliv vlhkosti či dalších plynných nebo kapalných látek na elektrické vlastnosti polymeru.