Giriş: Organik Elektronikin Yükselişi
Bu organik malzemeler, organik kimya, daha önce fark edilen cihazların mekanik esnekliği ve hafif doğasını birleştirir ve elektroniklerin bükmesine, genişlemeye ve düzensiz yüzeylere uygun olarak, bu kimyasalların katlanabilir tıbbi cihazlarla yeniden tanımlanmasına olanak sağlar. Organik kimya, malzemeler bilimi ve elektrik mühendisliğinin yakınlaştırılması, yeni doping stratejileri ile inovasyona olanak sağlayarak, nanoyapısal malzemeler, bu laboratuvarlardan elde edilen bu kimyasalları katlanarak ölçeklendirme yöntemlerinin gerçekleştirilmesine olanak sağlar.
Bu alanı ayırt eden şey, hem elektrik hem de mekanik performansı aynı anda mühendisliğe sahip olmak. Sert ve sert olan geleneksel metallerin aksine, iletken polimerler çözüm sürecine uygulanabilir, düşük sıcaklık ayrışma ve esnek yüzeylere uyum sağlamak. Küresel pazar 2023 yılında yaklaşık 5 milyar dolar değerinde değer, esnek elektronik malzemeler için talep ederek, esnek elektronik malzemeler için talep edilen mühendisler için gereklidir.
Davranışçı ve Semiconductive Polimerlerin Temelleri
Moleküler Mimari ve Şarj Ulaşım
Çekirdeklerinde, iletken polimerler organik makromoleküller, konjugated back Bone'u içeren bir konjugated dizileridir - polimer zinciri boyunca elektronların yerleşmesine izin veren tek ve çift bağlar.Bu genişletilmiş }}-veyabital çakışması, biyolojik bir band yapısı analog oluşturur - şarj edici taşıma mekanizmaları farklı ölçüde değişebilir.
Doping işlemi, uygulanan elektrik alanı altında hareket eden kutuplar ve bipolaronlar şeklinde şarj taşıyıcıları tanıtmaktadır.Inorganik yarı iletkenler aksine, doping ayrı bağışçı veya kabul edilebilir seviyeler, polimer doping, bu malzemelerin mühendislik uygulamaları için geliştirilmesini sağlayan elektronik devletler oluşturur.
Geleneksel Davranışlar Üzerinde İşleme Avantajları
Metallerin aksine, iletken polimerler çözümden işlenebilir, düşük sıcaklıklarda basılır (150 °C'nin altında), ve plastik film, kağıt veya tekstil gibi esnek substratlar üzerine depolanabilir. Bu, her iki elektrik ve mekanik performans da tasarım değişkenleri dahil olmak üzere tamamen yeni bir üretim paradigması sağlar.
Anahtar Malzeme Sınıfları ve Özellikleri
Çeşitli iletken ve yarı iletken polimerler aileleri araştırma ve endüstride işhorları olarak ortaya çıktı.Her biri farklı avantajları ve uygulama nişleri sunuyor.
Polyacetylene: Historical Foundation
Polyacetylene, ilk polimer, Shirakawa, MacDiarmid tarafından yapılan yüksek iletkenliği sergilemişti ve 1970'lerde Heeger, 2000'lerde Nobel Ödülü kazandılar.
Polyaniline: Ekonomik ve Versatile
Polyaniline (PANI) basit sentez, iyi çevresel istikrar ve tonable iletkenlik için ödüllendirildi.Son çalışma, 1 ila 100 S /cm'in sinerjik konsantrasyonlarda tespit edebilecek temelsel sensörler ve süper kapasite elektrotoksit elektrotlar.
Polypyrrole: Bio uyumlu iletkenler
Poly pirrole (PPy) iyi biyokompatlanabilirlik sunar ve biyomedikal elektrotlar ve sinir arabirimleri ile yaygın olarak kullanılır. Davranış, dopant anion. PPy kaplamaları üzerine kurulu 10 ila 100 S / cm arasında değişmektedir.
PEDOT:PSS: Ticari İşhorse
Poly(3,4-pisidoxythiophene), PEDOT olarak bilinen polistyrene sulfonat ile karmaşıklaşmıştır:PSS, esnek elektrotlarda en ticari başarılı polimerdir.Bu su bazlı karışımlar, basılı elektronikler, büyük ekran üreticileri şimdi PEDOT: PPV veya iyonik sıvılar gibi organik çözücülerle yapılan çiftliği kullanır.
Semiconducting Applications için Polythiophenes
Poly(3-hexylthiophene) (P3HT) ve diğer regioregular polithiophenes, organik alan-sonuçlu polimerler için yarı iletken polimerler (OFET) ve organik fotovoltaikler (DPP) veya P3HT birimlerinde mobil amorf silikonlar elde etmek, optimize edilmiş 1 cm / 10 cm / 10 inçlik betonlu cihazlara ulaşmak için.
Materyal Geliştirme Trendleri
Son araştırmalar, yalnızca mühendislik multifonksiyon malzemelerine karşı iletkenliği geliştirmek, kendilerini yok etmek, biyolojik sistemlerle etkileşime girmek ve yaşamın sonunda güvenle küçültülüyor.
Nano Yapı ve Gelişmiş Doping
Nanoscale'deki morfoloji, yüksek yüzey alanı ve verimli percolasyon yol yolları ile kontrol etmek için gereklidir.Bu nanoyapılan formlar iyon ve elektron taşımalarını artırmak, yüksek yüzey alanı için kritik olan kimyasal sensörler ve enerji depolama elektrospinning'i ve kendinden bağlı olarak nanofiberler, nanoteller veya nanogözlü ağlar, yüksek yüzey alanı ve yüksek yüzey alanı için kritik olan nano-parçacıklı ağlar oluşturur.
Doping teknikleri basit bir tane-elektron oksidasyonun ötesine geçti. Özel kırmızıox-aktif moleküller, devletlerin ve spin dağılımının üzerindeki hassas kontrole izin veriyor. Önemli bir atılım, film formasyonlarından sonra, yüksek iletkenlik elde edilen PEDOT filmlerinin bozulmasından sonra, taşıma stratejileri ve taşıma yöntemlerinin ölçeklendirilmesinden sonra ortaya çıktı.
Kompozit ve Hibrit Malzeme
Karbon nanomalzemelerle iletken polimerler, metal nanoteller veya iki boyutlu malzemeler bireysel malzeme sınırlamalarını aşmaktadır. Polimer-karbon nanotüp kompozitleri, yüksek elektrik iletkenliği ve çekme gücü ile matrixleri birleştirmektedir. Graphene oksit veya LOWOT:PSS, yüksek kapasiteli görüntüler ve elektronik ciltler için hassas elektrotlar için karma elektrotlar yaratır. Metal-polimer hibridler, nano-parçacıklı polimer filmlere gömülü ağlar gibi, 10 {{ / sq'ı korurken, kat dirençleri artırırken kritik ölçüde arttırır.
Özellikle umut verici bir yön MXenes içerir - iki boyutlu geçiş metalleri ve nitritler - iletken polimerlerle bir araya getirilir.Bu hibritler, polimer esnekliği ve prosesleri ile ilgili olarak, 1.000 F /cm3.İLFLT:0)A inceleme ile birlikte, gelişmiş termal stabilite ve azaltıcı etkilere nasıl ulaşırlar.))[FONT][FONT][FONT][FONT][FONT][FONT][FONT][FONT][FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=FONT=TRNT=TRNT=TRNT=TRNT=TRNT=TRNT=TRNT=FONT=FONT=FONT=FONT=TRNT=TRNT=TRNT=FONT=TRNT=TRNT=TRNT=TRNT=FONT=TRNT=TRNT=TRNT=TRNT=TRNT=TRNT=TRNT=TRNT=TR][/tr|STRNT
Kendi kendine özgü ve Stimuli-Responsive Polimerler
Bir dönüştürücü yön, mekanik hasarları bağımsız olarak tamir eden iletken polimerlerin gelişimidir. Dinamik kovalent bağlar (Diels-Alder adducts, disulfide köprüler) veya supramolecular etkileşimleri (hidrojen bağ, metal-ligand koordinasyon) tekrar kemik haline getirerek, her iki elektrik ve mekanik özelliklerini kesme veya yırtılmadan sonra geri yüklemeden sonra geri yüklemeye hazır hale getiren iletkenler yarattı. Bazı sistemler tekrarlanan hasar döngülerinden sonra orijinal iletken elektronik ve yumuşak robotikler için özellikle caziptir.
Örneğin, polianiline tabanlı hareketcüleri elektrik alanı altında değiştirir, onları yumuşak robotlara göre ısıtıcı polimerler için uygun hale getirir. Örneğin, polianiline tabanlı aktüatörler elektrik alanında akıllı devreler olarak hizmet eder.
Biopolimer-Based and Biodegradable Functionors
Çevre endişeleri, yenilenebilir yemstocks'tan iletken polimerler için aramayı veya biyodegradasyon için tasarlanmışlardır. Araştırmacılar hücreli nanoparçacıklar, chitosan ve ipek fibroin iletken dolgularla uyumlu veya greftler için uygun şekilde çalışır. Örneğin, hücreli nanobriller PEDOT ile kaplıdır:PSS endüstriyel koşullar altında kompresif, kozmetik implantlar üretir. Bu malzemeler geçici elektronik olarak uyumludur.
Gelişmiş İşleme ve İmalat Teknikleri
Ticari ürünlere yönelik laboratuvar atılımları, yüksek performans için gerekli olan hassas nanoyapıyı koruyan ölçeklenebilir, maliyet etkin işleme yöntemlerine bağlıdır.
Büyük Oda Elektroniki için Baskı Teknolojileri
Çözüm tabanlı baskı teknikleri - inkjet, aerosol jet, ekran ve gravure baskı - sabit üretim için çok fazla sayıda metreye sahip esnek substratlar sağlar.Inkjet baskı, yüksek uzaysal çözünürlükle dijital ayrışma sunar ( 20 μm'a kadar), hızlı prototipleme ve özel tasarımlar için ideal. Grave baskı, yüksek performanslı baskı kullanarak son derece iyi performans sağlar ve ikinci katta birkaç metreye kadar katkı sağlar.
Roll-to-Roll Manufacturing
Roll-to-roll (R2R) üretimi, baskı endüstrisinden adapte edilmiş, zaten yüksek aktarım modülleri ve OLED aydınlatma panellerini yüksek aktarımda sağlamaktadır. R2R, fonksiyondaki birçok katmanın sürekli olarak ayrıştırılmasına olanak sağlar ve tüketici elektroniklerinde standart bileşenlere kadar hareket eder.
Fiber Spinning ve Akıllı Tekstil
Elektrospinning ve ıslak-spinning, algılama uygulamaları için yüksek yüzey alanı sağlar, bir polimer nanofiberler ve iplikler akıllı tekstillere dokunabilir. Elektrospinning, on nanometreden birkaç mikrometreye kadar fiberler oluşturur ve algılama uygulamaları için yüksek yüzey alanı sağlar.
3D Devrelerin Katkı İmalatı
Katkıda bulunan modeller, modellemek için genişletilebilir polimerler: uçak kanatları veya protez uzuvları gibi karmaşık yüzeylere uymayı sağlayan uygun elektronik devrelerin oluşturulmasına izin veriyor.Bu, basit yüzeyler için uygundur. Multi-mate 3D baskılı polimer filamentler artık 3D devrelerin oluşturulmasına izin verir ve tek bir adımda komple elektronik cihazların üretimine izin verir.
Mühendislik Elektronik Uygulamaları
Mühendislik uygulamalarının spektrumu, bu malzemeler tarafından sunulan özelliklerin eşsiz kombinasyonunu genişletmeye devam ediyor.
Esnek ve çizilebilir Ekranlar
Konjugate polimerlere dayanan organik ışık, katlanabilir akıllı telefonlar ve rollable televizyonlar için optimize edilmiş yüzeylere dayanabilmeleri için ekranların değiştirilmesine izin verir.PEDOT:PSS, aktif-matrix ekranları için şeffaf bir şekilde çalışır, yüksek piksel kesintilerine ve daha düşük güçlere dayanabilmelerine izin verir.
Kullanılabilir Sağlık Sensörleri ve Elektronik Cilt
Yumuşak, cilt-konformatif sensörler biyopotansiyelleri (ECG, EEG, EMG), ter biyomarkers, sıcaklık veya basınç, iletken polimer platformlarında yapılır.Seksability (% 100 su) ve düşük elastik modulus (insan derisine benzer şekilde), uzun vadeli izleme sırasındaki eserleri ve konforları azaltır. Self-adhesive polimer yamaları sürekli sağlık verilerini toplayarak klinik doğrulamaya devam eder.
Enerji Depolama ve Dönüşüm
Mekanik polimerler süper kapasitelerde aktif bir rol oynarlar, lityum-iyon aküler ve 400-800 F / C vitamini sistemleri ile bir araya geldiğinde, kapasiteyi arttırırlar ve döngüsü doğrudan kıyafetlere entegre eder ve PEDOT:PSS, küçük cihazlara umut verir, nanoyapılı iletken polimerler, karbon nanomalzemeler için ısı izleme sistemleri ile birlikte ısıtılabilir.
Akıllı Tekstiller ve Giyilebilir Elektronik
Triton veya dokuma iletken polimer elyafları kumaşlara bu hissi baskı, hareket veya çevresel değişiklikler verir. Bu akıllı tekstiller spor analitiklerinde (bakımcı performansı), askeri izleme (kalplama yara penetrasyonu veya kimyasal ajanlar) ve rehabilitasyon (kalpıcı yüzeylerde kontrol eder.
Biyomedikal İmplantlar ve Neural Interfaces
Bazı iletken polimerlerin yumuşak mekanik özellikleri ve biyokompatlanabilirliği onları nöral problar, kochlear implantlar ve kalpli hız makinesi elektrotlar için ideal hale getirir. PEDOT:PSS (0.5-2 GPa) optik dokuya daha yakıntır (0.1-10 kPa) implant-tral arayüzünde mekanik yanlış ve inflamasyonu azaltır.
Çevre ve sürdürülebilirlik
Polimer tabanlı elektronik dağıtım büyüdükçe, tüm yaşam döngüsüne dikkat, sorumlu teknoloji gelişimi için gerekli hale gelir.
Feedstock ve Üretim Etkisi
Polimerler metallerden daha hafif ağırlık ve potansiyel olarak daha düşük enerji sağlarken, birçok konjugate polimerler petrokimyasal yemstocklerden elde edilir ve kolayca biyodegrad edilemez. Synthesis genellikle organik çözücüler, katalizörler ve enerji yoğun termosetler gerektirir. Araştırmacılar bu endişeleri hidro-yaşam etkisini azaltırken, son derece makul veya enzimli bağlardan elde ederler.
Yeşil İşleme ve Parasız Yaklaşımlar
Önemli ilerleme, yüzeysel polimerler için su bazlı yöntemler geliştirmek, organik çözücüleri ortadan kaldırmak için yapılmıştır. PEDOT:PSS doğal olarak su bazlı bir işlem, diğer sistemlere sörfçüler ve polielectrolyte kompleksleri kullanarak genişletilebilir. Mekanik değirmenler ve buhar-fayıtılmış polimerizasyon dahil olmak üzere, çevresel ayak izi azaltmaktadır. [...]
Geri dönüşüm ve genel ekonomi
Polimer elektronik atık için kapalı geri dönüşüm hala bebekliktedir, ancak uzun vadeli viability için çok önemlidir. Kompozit olmayan metallerden farklı olarak, üretim hacminin artırılması, inşa edilen altyapının ekonomik olarak uygulanabilir ve çevresel olarak gerekli hale getirilmesi gerekir.Promising approach include seçici dissolution to return to regeneratetral tarafsız polimer, and mekanik taşlama.
Future Yol ve Challenges
Etkileyici ilerlemeye rağmen, birçok bilimsel ve mühendislik zorluk, talep edilen uygulamalarda geleneksel iletkenleri tamamen yerine getirmeye devam ediyor.
Çevre İstikrar ve Güvenilirlik
Uzun vadeli istikrar birincil bir endişe kalır: Birçok iletken polimerler oksijen altında, nemser ve UV ışığı altında, iletkenliği kaybediyor ve kırılganlıklı yaşlanma testleri, korumasız PEDOT:PSS, güneş koşullarından sonra alüminyumun %50'sini kaybedebilir. Strategiesulation, antioksidanlar ve intrinsically stabil moleküler tasarımları soruşturma altında.
Konsiste ile Scalable İmalat
Yüksek performans için gerekli olan kesin nanoyapıyı korumak, sentez ve ayrıştırma sırasında geri bildirim kontrolü ile bir araya gelmek ve malzeme performansını sentez koşullarında optimize etmek.Instructions for high-throughput characterization methods (inline and electric monitoring) birlikte bir araya getirerek bu. Machine learning approach approach updates and predict material performance from the solution conditions.
Bozuklu Sistemlerde Şarj Ulaşımını Anlamak
Daha iyi şarj taşımacılığının düzensiz organik sistemlerde anlaşılması - dinamik bozukluk ve tuzaklar dahil - önümüzdeki nesil materyallerin rasyonel tasarımını 10 cm2/V·s. Gaussian bozukluk modeli ve Marcus teorisi gibi modeller ultrafast spektroskopi ve hesaplamalı malzemelerle tamamen yakalamaz.
Konvansiyonel Elektronik ile entegrasyon
Kimyasal polimerlerin silikonu ile bütünleştirilmesi, betonlu temizleme veya paketleme performansı, aisotropic yapıştırıcılar aracılığıyla bir yol açar. Gelişen yaklaşımlar, polimer cihazların silikon wafers, monolithic bütünleştirmelerini içerir, fotopatternable iletken polimerler kullanarak, ve hibrit paketleme interconnecting yapıştırıcıları ile bağlantı kurar.
Pazar Trendleri ve Endüstri Kabul
Küresel iletken polimer pazarı sağlam bir büyüme yaşıyor, esnek görüntüler, baskılı sensörler ve elektrikli araç bileşenleri talep ederek yakıtlanıyor. 2023 yılında yaklaşık 5 milyar dolar değerinde olan, 2030 yılına kadar 1,2 milyar dolara ulaşmak için projelendirilmiştir.
Kimyasal şirketler (Heraeus, Agfa-Gevaert, Solvay) ve çok sayıda startups PEDOT:PSS ve özel iletken inks. Tüketici elektroniklerinde, büyük markalar, iletken polimer elektrotlara dayanan milyonlarca katlanabilir telefon gönderdi, gerçek dünya dayanıklılıkını kapsamlı bir viraj test yoluyla.
Otomotiv uygulamaları gelişmekte olan büyümeyi temsil ediyor: iletken polimerler, organik elektronik araştırmaları destekleyen antistatik kaplamalar, elektromanyetik kalkanlar ve esnek görüntüler için değerlendiriliyor - özellikle Çin, Güney Kore, Japonya, Almanya ve İngiltere'de - gelişmiş kapasite saklama ve hız kapasitesi sunan geleneksel PVDF bağlayıcı üreticileri arasındaki ortaklıklar.
Üretim altyapısı olgunlaşır ve maliyetler azalırken, iletken ve yarı iletken polimerler, elektronik mühendisinin araçtabul edilmek için hazırlanmaktadır, daha esnek, hafif ve çevrelenmiş olan cihazlara daha akıllı, ölçeklenebilir bir işlem ve pazar taleplerinin bir araya gelmesi, bu malzemeleri ve sınırlamaları anlamakta olan mühendisler için virtüzlü bir döngü oluşturabilir.