Quelltext der Seite Leitfähige Polymere

[[Datei:Polypyrrol2.svg|mini|Strukturausschnitt des konjugierten Polymers [[Polypyrrol]], mit [[p-Toluolsulfonsäure]] dotiert und dadurch leitfähig]]
[[Datei:Flexible display.jpg|mini|Organische Elektronik - Flexibel biegbares Display auf Basis leitfähiger Polymere]]
'''Intrinsisch leitfähige Polymere''', auch '''leitfähige  Polymere''' genannt, sind [[Kunststoff]]e mit einer [[Elektrische Leitfähigkeit|elektrischen Leitfähigkeit]], die vergleichbar mit [[Metalle]]n ist. Damit stehen sie im Gegensatz zu normalen [[Polymer]]en, bei denen es sich um [[Nichtleiter]] handelt. Die Leitfähigkeit des Polymers wird durch [[Konjugierte Doppelbindung|konjugierte Doppelbindungen]] erreicht, die eine freie Beweglichkeit von Ladungsträgern im [[Dotierung|dotierten Zustand]] ermöglichen. Entgegen den Erwartungen sind die Polymere im reinen Zustand meist nicht leitfähig. Eine Erklärung hierfür liefert das [[Peierls-Theorem]].

Polymere, die nur durch elektrisch leitende [[Füllstoff]]e wie beispielsweise [[Aluminium]]flocken oder [[Ruß]] leitfähig sind, werden extrinsisch leitende Polymere genannt und sind keine (intrinsisch) leitenden Polymere im eigentlichen Sinne und werden in diesem Artikel nicht behandelt.<ref name="Römpp">{{RömppOnline|ID=RD-05-00632|Name=elektrisch leitfähige Polymere|Abruf=2019-11-12}}</ref>

Leitfähige Polymere sind Grundwerkstoffe der [[Organische Elektronik|organischen Elektronik]].

Für die Entdeckung leitfähiger Polymere um 1977 erhielten [[Alan J. Heeger]], [[Alan G. MacDiarmid]] und [[Hideki Shirakawa]] 2000 den [[Chemie-Nobelpreis]].

== Struktur ==
Die Struktur der selbstleitenden Polymere ist analog wie bei den herkömmlichen Kunststoffen hochgradig ungeordnet. Die meisten intrinsisch leitfähigen Polymere wie [[Polypyrrol]] oder auch [[Polythiophen]] sind unlöslich in den gängigen Lösungsmitteln, jedoch kann [[Polyanilin]] zum Beispiel in [[N-Methyl-2-pyrrolidon|''N''-Methyl-2-pyrrolidon]]<ref>{{Literatur |Autor=G. G. Wallace, T. E. Campbell, P. C. Innis |Titel=Putting function into fashion: Organic conducting polymer fibres and textiles |Sammelwerk=Fibers and Polymers |Band=8 |Nummer=2 |Datum=2007 |Seiten=135–142 |DOI=10.1007/BF02875782}}</ref> gelöst werden. Die dotierten Spezies der Polymere sind alle nicht thermisch verarbeitbar. Oft weichen die Polymere auch von der idealen chemischen Zusammensetzung ab, da bei der Bildung unerwünschte Nebenreaktionen eintreten können. Die Struktur und damit auch die physikalischen Eigenschaften werden stark von den [[Synthese]]bedingungen beeinflusst. Abgesehen vom eingesetzten [[Monomer]] wirken sich unter anderem das [[Lösungsmittel]], das [[Leitsalz]] und die Oxidationsbedingungen auf die chemische Zusammensetzung und die [[Morphologie]] des Polymers aus.

== Elektrische Leitfähigkeit ==
Die elektrische Leitfähigkeit erfordert frei bewegliche Ladungsträger. Deshalb besitzen elektrisch selbstleitende Polymere ein ausgedehntes [[π-Elektronensystem]] in Form [[Konjugation (Chemie)|konjugierter Doppelbindungen]]. Als Ladungsträger dienen [[Defektelektron]]en. Bei einigen Polymeren, wie [[Polyacetylen]] und Poly-''p''-phenylen, kann auch ein negativ aufgeladenes Polymergerüst erzeugt werden. Als Gegenionen des oxidierten Polymergerüstes dienen Anionen. Fließt ein elektrischer Strom, müssen die Ladungsträger auch von einer Polymerkette auf eine benachbarte überwechseln, sogenanntes [[Hopping-Leitfähigkeit|Hopping]] (engl. für ‚springen‘), weil die konjugierten Ketten nur eine endliche Länge haben. Deshalb ergibt sich der Gesamtwiderstand aus der Summe der Widerstände in den Polymerketten und der Widerstände zwischen den Ketten. Den größeren Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit hat der höhere Widerstand zwischen den Ketten. Je kürzer die konjugierten Ketten, desto höher der Widerstand, weil die Ladungsträger öfter zwischen den Ketten übertragen werden müssen. Die elektrische Leitfähigkeit elektrisch selbstleitender Polymere liegt im Bereich von 10<sup>−13</sup> bis 10<sup>3</sup>&nbsp;S·cm<sup>−1</sup>.<ref name="Roth">H.-J. Mair, S. Roth (Hrsg.): ''Elektrisch leitende Kunststoffe.'' 2. erw. Aufl., Hanser, München 1989, S. 253–263.</ref><ref name="Heinze">{{Literatur |Autor=Jürgen Heinze |Hrsg=[[Eberhard Steckhan]] |Titel=Electronically conducting polymers |Sammelwerk=Electrochemistry IV. |Reihe=Topics in Current Chemistry |BandReihe=152 |Verlag=Springer |Ort=Berlin/Heidelberg |Datum=1990 |ISBN=3-540-51461-9 |Seiten=1–47 |DOI=10.1007/BFb0034363}}</ref><ref name="Lei">{{Literatur |Autor=Junting Lei, Zhihua Cai, Charles R. Martin |Titel=Effect of reagent concentrations used to synthesize polypyrrole on the chemical characteristics and optical and electronic properties of the resulting polymer |Sammelwerk=Synthetic Metals |Band=46 |Nummer=1 |Datum=1992 |Seiten=53–69 |DOI=10.1016/0379-6779(92)90318-D}}</ref>

== Oxidation und Reduktion ==
Im Idealfall kann das Polymergerüst reversibel elektrochemisch oxidiert und reduziert werden. Dadurch kann die Leitfähigkeit vom isolierenden reduzierten Zustand bis zum oxidierten leitfähigen Zustand variiert werden. Durch die Oxidation werden Defektelektronen in die konjugierten Polymerketten injiziert. Anfangs steigt die Leitfähigkeit mit der Zahl der generierten Ladungsträger. Allerdings führt eine Überoxidation zur irreversiblen Zerstörung der Konjugation und damit zum Verlust der elektrischen Leitfähigkeit. Da sich durch die Oxidation die Polymerketten positiv aufladen, werden Anionen zur Ladungskompensation in die Polymerschicht eingelagert. Während der Reduktion werden sie wieder in die Elektrolytlösung zurückgedrängt. Andererseits ist auch die Einlagerung von Kationen zur Wahrung der Ladungsneutralität möglich, insbesondere wenn bei der Synthese sperrige Anionen verwendet wurden, die quasi im Polymer feststecken, beispielsweise Polystyrolsulfonat.

Bei elektrisch selbstleitenden Polymeren wird auch der Begriff „Dotierung“ verwendet. So bezeichnet man die Oxidation als p-Dotierung. Allerdings ist dies nicht mit der klassischen [[Dotierung]] anorganischer Halbleiter vergleichbar. Dort werden Fremdatome in vergleichbar geringen Konzentrationen eingebracht. Die Oxidation des Polymergerüstes erzeugt die Ladungsträger hingegen auf direktem Weg und in deutlich höherer Konzentration. Bei dünnen Schichten ist die Farbe des leitfähigen Polymers vom Oxidationszustand abhängig ([[Elektrochromie]]).

== Herstellung ==
Die Präparation elektrisch selbstleitender Polymere kann chemisch, elektrochemisch, photoelektrochemisch oder mit der [[Chemische Gasphasenabscheidung|CVD-Technik]] (von {{enS|chemical vapour deposition}}) ausgeführt werden. Abgesehen von verschiedenen Ausgangsverbindungen, die zur Verfügung stehen, kann durch deren Derivatisierung oder durch die Bildung von [[Copolymer]]en ein breites Spektrum von chemischen und physikalischen Eigenschaften erzielt werden. Sehr einfach ist die elektrochemische Abscheidung dünner Schichten durch die Oxidation des monomeren Ausgangsstoffes. Das selbstleitende Polymer entsteht im oxidierten, leitfähigen Zustand. Die positiven Ladungen des Polymergerüstes werden durch die Einlagerung von Anionen des Leitsalzes kompensiert.

== Vertreter elektrisch selbstleitender Polymere ==
Der Kunststoff [[Poly-3,4-ethylendioxythiophen]] (PEDOT, auch PEDT) ist ein Vertreter elektrisch leitfähiger Polymere. Als Gegenion wird dafür häufig [[Poly(styrolsulfonsäure)|Polystyrolsulfonat]] (PSS) verwendet, die Kombination wird mit PEDOT:PSS abgekürzt. Dotiertes [[Polyethin]] (auch Polyacetylen, PAC) ist das am längsten bekannte leitfähige Polymer, spielt jedoch keine große Rolle mehr. Es wurde unter anderem von [[Polyanilin]] (PAni) verdrängt, das ohne Zusätze leitfähig ist und in der Industrie Verwendung findet.

[[Polyparaphenylen]] (PPP) wird in Feldeffekttransistoren und blauen Leuchtdioden eingesetzt. [[Polypyrrol]] (PPy) wird für Batterien verwendet und hat eine besondere Bedeutung für die Mikrobiologie und Sensorik. Dotiertes [[Polythiophen]] (PT) wird für elektronische Bauteile verwendet, unter anderem auch für organische Leuchtdioden. Durch Ändern der angelegten Spannung kann die Leuchtfarbe verändert werden.

== Anwendungsmöglichkeiten ==
Als wiederaufladbare Batterie wären selbstleitende Polymere wegen ihrer geringen Dichte interessant. Allerdings ist bisher die Stabilität der Materialien hinsichtlich der Oxidation/Reduktion zu gering, um eine akzeptable Anzahl von Ladezyklen zu gewährleisten. Diese Problematik betrifft in gleicher Weise den Einsatz als Display oder sogenanntes „{{lang|en|smart window}}“. Letzteres bezeichnet eine Fensterscheibe, deren Tönungsfarbe und Transparenz durch das Anlegen einer Spannung verändert werden kann. Beispielsweise sind dünne Filme aus Polypyrrol im oxidierten Zustand braun bis schwarz und im reduzierten Zustand gelb bis grün. Die Spannung muss hierbei nur zur Änderung des Oxidationszustandes angelegt werden.
Säuren, Basen, oxidierende und reduzierende Substanzen, Anionen, Kationen, anorganische und organische Gase können die elektrische Leitfähigkeit selbstleitender Polymere beeinflussen. Dies legt eine Anwendung als Sensorsystem ([[Chemiresistor]]) nahe. Das große Manko hierbei ist bisher die fehlende Selektivität. Eine quantitative Bestimmung einzelner, isoliert vorliegender Substanzen ist zwar möglich, das Ziel einer technischen Anwendung ist aber die quantitative Analyse aus Stoffgemischen.

{| class="wikitable sortable"
|- class="hintergrundfarbe5"
! Anwendung !! genutzter Effekt
|-
| Wiederaufladbare Batterie || Redox-Prozess
|-
| Display, „{{lang|en|smart window}}“ || [[Elektrochromie]]
|-
| Kathode in Elektrolytkondensatoren || elektrische Leitfähigkeit
|-
| Durchkontaktierung von Leiterplatinen || elektrische Leitfähigkeit
|-
| Sensorik || elektrische Leitfähigkeit
|-
| Verpackungsfolie für elektronische Bauteile || elektrische Leitfähigkeit
|}

== Literatur ==
* Richard B. Kaner, Alan G. McDiarmid: ''Elektrisch leitende Kunststoffe.'' In: ''Spektrum der Wissenschaft.'' April 1988, S. 54–59 ([http://www.spektrum.de/pdf/title/949007?file spektrum.de]; PDF; 2,74 MB; abgerufen am 21. März 2017).
* Matthias Rehahn: ''Elektrisch leitfähige Kunststoffe.'' In: ''[[Chemie in unserer Zeit]]''. Band 37, Nr, 1, 2003, S.&nbsp;18–30, [[doi:10.1002/ciuz.200390000]] ([http://www.ak-tremel.chemie.uni-mainz.de/ChiuZ/Rehan%20Leitende%20Kunststoffe%20CHIUZ%202003.pdf ak-tremel.chemie.uni-mainz.de]; PDF; 810&nbsp;kB; abgerufen am 21. März 2017).

== Einzelnachweise ==
<references />

{{SORTIERUNG:Leitfahige Polymere}}
[[Kategorie:Polymer nach Eigenschaft]]
[[Kategorie:Organischer Halbleiter]]