پلیمرهای رسانا 3 – خواص و کاربردهای نانوالکترونیکی

1- مقدمه

2- خواص پلیمرهای رسانا

1-2- خواص الکتریکی

مشاهدات نشان می‌دهند که خواص الکتریکی پلیمرهای رسانا در چندین حالت می‌تواند تغییر یابد:

2-2- خواص مغناطیسی

افزودن ذرات مغناطیسی می‌تواند خواص مغناطیسی پلیمرهای رسانا را به طور کلی تحت تاثیر قرار دهد. برای مثال، افزودن ذرات اکسیدی Fe₃O₄ به پلی‌آنیلین موجب تغییر رفتار مغناطیسی این پلیمر و ظهور خاصیت سوپرپارامغناطیس در آن می‌شود.

3-2- خواص نوری

پلیمرهای رسانا خواص نوری منحصر به فردی دارند و از آنها در ساخت ادوات نانوفوتونیک استفاده می‌شود. گفته می‌شود که پلیمرهای رسانا در صورتی که با ماده‌ای با خاصیت نوری خاص کامپوزیت شود می‌تواند خاصیت نوری آن جز را تقویت کند. برای مثال، رفتار نوری «سیستم‌های کامپوزیتی پلی آنیلین-CdS» بسیار شبیه به خاصیت نوری CdS است و وجود پلی آنیلین در کنار آن موجب تقویت شدت سیگنال‌های طیف فوتولومینیسانس آن می‌شود.

4-2- ترشوندگی

در حالت کلی، پلیمرهای رسانا آب دوست (hydrophilic) هستند. از طرف دیگر، می‌توان با دوپ کردن یک پلیمر رسانا با اسیدهای آبگریز (hydrophobic)، فیلم پلیمری آبگریز تولید کرد. همچنین می‌توان با کنترل ترکیب شیمیایی پلیمر رسانا، سطوحی تولید کرد که به راحتی از حالت آب دوست به آبگریز و بر عکس تبدیل شوند. برای مثال، ترشوندگی فیلم‌های پلی آنیلین تقویت شده با پلی آکریلونیتریل (PAN)، رفتار دوگانه‌ای از خود نشان می‌دهد.

5-2- خواص مکانیکی

خواص مکانیکی پلیمرهای رسانا طیف گسترده‌ای دارند اما اکثرا بنا به کاربردهای عملی، رفتار مکانیکی آنها را در حالت نانولوله بررسی می‌کنند. مطالعات نشان می‌دهند که رفتار مکانیکی نانولوله‌های پلیمرهای رسانا به شدت به ابعاد وابسته است. به طور کلی، هر چه قطر خارجی نانولوله کوچکتر و ضخامت دیواره آن بیشتر باشد، استحکام مکانیکی آن بهتر خواهد بود.

6-2- خواص جذب امواج

پلیمرهای رسانا جاذب‌های مناسبی برای امواج الکترومغناطیسی با چگالی پایین هستند. برای مثال، نانوالیاف پلی آنیلین دوپ شده، خاصیت جذب امواج الکترومغاطیسی بهتری نسبت به پلی آنیلین دوپ نشده و کروی شکل دارد. مطالعات نشان می‌دهند که نانولوله‌های پلیمرهای رسانا می‌توانند به عنوان جاذب‌های ماکروویو با قدرت جذب بالا، وزن پایین و فرکانس گسترده مورد استفاده قرار گیرند.

3- کاربردهای پلیمرهای رسانا

1-3- باتری‌های قابل شارژ

شاید مهم‌ترین کاربرد پلیمرهای رسانا، استفاده از آنها به عنوان الکترود در باتری‌های قابل شارژ باشد. این الکترودها در مقایسه با الکترودهای فلزی، پایداری شیمیایی بالاتری دارند؛ زیرا یون‌های مربوط به فرآیند ذخیره‌سازی بار به جای آنکه توسط خود الکترود تامین شوند، از الکترولیت به دست می‌آیند. به همین دلیل، نرخ خوردگی و فرسایش الکترود‌های پلیمری بسیار پایین است. یکی از مهم‌ترین مثال‌ها در این زمینه، باتری‌های قابل شارژی هستند که از یک الکترود لیتیومی و یک الکترود پلیمری پلی پیرول ساخته می‌شوند. اساس عملکرد این باتری‌ها، انجام فرآیند اکسایش یا کاهش در پلیمر است که منجر به ذخیره‌سازی بار الکتریکی در آنها می‌شود. به عبارت دیگر، فرآیند شارژ شدن باتری، چیزی جز دوپ شدن پلیمر نیست. شکل 1 شمایی از سلول‌های شیمیایی با الکترود پلی پیرول را نشان می‌هد. در این باتری‌ها، از الکترولیتی استفاده می‌شود که یون‌های مثبت و منفی را خودش تامین می‌کند.الکترود پلیمری را به قطب مثبت باتری وصل می‌کنند تا در اثر اکسایش پلی پیرول، آنیون‌های موجود در الکترولیت برای حفظ تعادل بار الکتریکی، به سمت الکترود پلیمری سرازیر و وارد ساختار متخلخل این پلیمر شوند. به طور همزمان، یون‌های لیتیوم نیز به سمت الکترود منفی لیتیومی حرکت کرده و بر روی آن رسوب می‌کنند. به بیان روشن‌تر، طی شارژ شدن باتری، در الکترود لیتیومی، فرآیند احیای یون لیتیوم و در الکترود پلیمری، واکنش اکسایش یون ClO^–₄ انجام می‌شود. بدین ترتیب، با ادامه این فرآیندها، باتری شارژ می‌شود و اختلاف ولتاژ بین دو الکترود به حدود 3 ولت می‌رسد. حال اگر این باتری برای مصرف، به یک مدار خارجی وصل شود، جریان به طور خود به خودی در آن برقرار می‌شود. در واقع، فرآیندی که در طول مصرف باتری (دشارژ شدن) اتفاق می‌افتد، اکسایش الکترود لیتیومی (یا همان جدا شدن الکترون‌ها از سطح آن و بازگشت یون‌های لیتیوم به محلول الکترولیت طبق واکنش^– Li→Li⁺+e) و احیای الکترود پلیمری (یا همان نفوذ یون‌های مثبت لیتیوم از الکترولیت به سمت الکترود پلیمری و نفوذ آنها به داخل بافت متخلخل پلیمر و احیای آن) است. می‌توان این فرآیند را به تعداد چرخه‌های مورد نیاز تکرار کرد. بهترین باتری‌های ساخته شده از پلیمرهای رسانا، اختلاف پتانسیلی معادل 3 ولت تولید می‌کنند و تا 300 بار نیز بدون افت اختلاف پتانسیل قابل شارژ و دشارژ هستند.

ممکن است برای ساخت دو الکترود نیز از پلیمر رسانا استفاده شود. در این حالت، فرآیند دوپ کردن (doping) و دوپ زدایی (undoping) در دو پلیمر انجام می‌شود. برای مثال، می‌توان از پلیمر پلی استیلن (PA) با ترکیب (CH)_x استفاده کرد. در این حالت، پلیمر PA هم به عنوان الکترود آند و هم الکترود کاتد مورد استفاده قرار می‌گیرد. بنابراین، آنچه در حین فرآیند شارژ باتری در الکترولیتی حاوی⁺ Li و ClO-⁴ اتفاق می‌افتد، احیا یا دوپینگ نوع n (n-doping) همراه با جذب یون‌های لیتیوم مثبت در «الکترود منفی» و فرآیند اکسایش یا دوپینگ نوع p (p-doping) همراه با جذب یون‌های پرکولیت منفی در «الکترود مثبت» است. کلیه این واکنش‌های شیمیایی در فرآیند دشارژ باتری، برگشت‌پذیر هستند. شکل 2 شمایی از فرآیندهای یاد شده در حین شارژ و دشارژ شدن باتری‌های پلیمری پلی استیلن را نشان می‌دهد.

2-3- مدارهای مجتمع

یکی از کاربردهای پلیمرهای رسانا، استفاده از آنها به عنوان مسیرهای رسانایی در مدارهای الکترونیکی به جای سیم است. این کار با استفاده از فناوری پرینت مدارهای مجتمع انجام می‌شود. روش‌هایی مانند لیتوگرافی نیز بسیار مورد استفاده قرار می‌گیرند. می‌توان با دوپ کردن مسیرهای پلیمری و یا اعمال سیکل‌های حرارتی به آنها، میزان کریستالینیته (crystallinity) پلیمر را تغییر داده و رفتار رسانایی آن را تنظیم کرد. برای مثال مشاهده شده است که در مورد پلیمر رسانای پلی‌فنیلین سولفید (PPS)، دوپ کردن با ترکیب NOPF₆ موجب تشکیل مناطق آمورف با رسانایی الکتریکی بالا و مناطق کریستالی با رسانایی پایین می‌شود و می‌توان با تنظیم ساختار پلیمر، رسانایی آن را مهندسی کرد.

3-3- حسگرها

امروزه پلیمرهای رسانا با پیوندهای π به عنوان یکی از بهترین گزینه‌ها برای صنعت ساخت حسگر مطرح هستند. اساس روش شناسایی و حس کردن در این حسگرها، «جذب و واجذب گونه‌های شیمیایی مورد نظر بر روی سطح لایه پلیمری و اندازه‌گیری تغییرات رسانایی الکتریکی آن» است. این تغییر در رسانایی الکتریکی ممکن است ناشی از فرآیند اکسایش- کاهش یا برهم‌کنش اسید-باز بین پلیمر و گونه‌های شیمیایی محیط مورد نظر باشد.
یکی از ساده‌ترین مثال‌ها برای حسگری، استفاده از یک فیلم پلیمری است که هر گاه در معرض گاز خاصی مانند NO₂، NH₃، و H₂S قرار می‌گیرد دچار تغییر در رسانایی الکتریکی می‌شود. به عنوان مثال، اگر گاز NH₃ در معرض پلیمر رسانایی از نوع p قرار بگیرد به عنوان عامل احیا کننده عمل می‌‌کند و منجر به افزایش ناگهانی مقاومت الکتریکی آن می‌شود. در مقابل، اگر گاز NO₂ در تماس با حسگر مبتنی بر پلیمر رسانا قرار گیرد، به عنوان عامل اکسید کننده عمل می‌کند و منجر به افزایش رسانایی می‌شود. معمولاً اگر غلظت گازی که در معرض حسگر قرار می‌گیرد، یک دهم درصد از کل محیط پیرامون حسگر باشد، میزان تغییر رسانایی پلیمر رسانا برای گازهای NH₃،  NO و H₂S به ترتیب برابر 5/2، 8/8 و 2/6 درصد خواهد بود. بنابراین حساسیت حسگرهای پایه پلیمر به غلظت گاز بسیار بالا است.
از پلیمرهای رسانا برای تعیین غلظت یون‌های موجود در یک محلول نیز استفاده می‌شود. برای نمونه، از پلی استیلن (PA) می‌توان برای تعیین غلظت یون‌های NO^–₃ در محلول‌های اسیدی استفاده کرد. در این شرایط، تغییر در رسانایی الکتریکی این پلیمر، به حضور یون‌های نیترات نسبت داده می‌شود. انرژی یون‌های نیترات در محدوده ساختار نواری الکترون‌های π است.
از پلیمرهای رسانا می‌توان در ساخت حسگرهای نوترونی نیز استفاده کرد. اغلب فیلم نازکی از پلیمر پلی استیلن در حالت ترانس (trans-PA) برای این منظور مورد استفاده قرار می‌گیرد. اساس شناسایی در این حسگرها، تغییر رسانایی الکتریکی پلیمر در اثر خروج پروتون از ساختار آن در اثر بمباران پلیمر توسط نوترون‌های پرانرژی است. به بیان دیگر، افزایش در رسانایی الکتریکی به طور مستقیم به میزان پرتو نوترونی تابیده شده به فیلم پلیمری نسبت داده می‌شود.

4-3 نمایشگرهای الکتروکرومیک

مواد الکتروکرومیک به موادی گفته می‌شود که با اعمال یک ولتاژ یا میدان الکتریکی، خواص نوری آنها تغییر کرده و نهایتاً رنگ ظاهریشان عوض می‌شود. با حذف این ولتاژ یا میدان الکتریکی، رفتار نوری این مواد به حالت اولیه خود بر می‌گردد. پدیده الکتروکرومیک به «فرآیندهای اکسایش و کاهش» در حین اعمال میدان الکتریکی کوچک نسبت داده شده است. مواد متداول برای این کاربردها عبارتند از: ZnO، WO₃، NiO TiO₂ و V₂O₅. در این بین، پلیمرهای رسانا به دلیل انجام فرآیندهای اکسایش- کاهش در اثر اعمال ولتاژ، می‌توانند به عنوان نمایشگرهای الکتروکرومیک مورد استفاده قرار گیرند. از مهم‌ترین این پلیمرها می‌توان به پلی آنیلین (PANI)، پلی(4،3، اتیلن‌دی‌اکسی‌تیوفن) (PEDOTs) اشاره کرد. در این مواد، به  دلیل اکسایش و کاهش شیمیایی، رنگ پلیمر عوض می‌شود و از آنها می‌توان به عنوان نمایشگر استفاده کرد.

5- نتیجه‌گیری

در این مقاله، مهم‌ترین خواص فیزیکی و مکانیکی پلیمرهای رسانا مرور شدند و مبنای به وجود آمدن این ویژگی‌ها مورد بحث و بررسی قرار گرفتند. گفته شد که می‌توان با افزودن اجزای رسانا یا نانوذرات فلزی به پلیمرهای رسانا و دوپ کردن آنها، رفتار الکتریکی این مواد را بهبود بخشید. همچنین، کامپوزیت کردن پلیمرهای رسانا با مواد مغناظیسی و نوری می‌تواند خاصیت آنها را به شدت تقویت کند. پلیمرهای رسانا بسته به طیف وسیعی از خواص مکانیکی، الکتریکی، نوری و جذب امواج، در مهم‌ترین کاربردهای حوزه نانوالکترونیک قابل استفاده هستند. از اصلی‌ترین این کاربردها می‌توان به «باتری‌های قابل شارژ»، «نمایشگرهای الکتروکرومیک» و «حسگرها» اشاره کرد. اساس همه این کاربردها، فرآیند اکسایش و کاهش گونه‌های پلیمری است. نیروی محرکه فرآیند اکسایش- کاهش در حسگرها، جذب یا واجذب گونه‌های شیمیایی موجود در محیط، در نمایشگرهای الکتروکرومیک، اعمال میدان الکتریکی کوچک و در باتری‌های قابل شارژ، اختلاف ولتاژ به وجود آمده بین دو الکترود است.