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導電性高分子ポリアセチレンはなぜ電気を通すか？
こんばんわ。 昔、趣味で導電性高分子ポリアセチレンについて調べてて分かったつもりになって、あさって人前でそのことを発表することになったものです。(事情は飲み込めないかもしれませんが、とにかく専門ではない僕が、導電性ポリアセチレンを詳しく知りたいという事態です) 半導体の仕組みは一応理解しました。 また、導電率θは θ＝e×n×μ eは電気素量、nはキャリア濃度、μはキャリア移動度 で表され、それがあがると電気が通ることも分かりました。 そして、中性ソリトン、正電荷ソリトン、ポーラロン、正電荷ポーラロンという存在も知り、ドーピングをすることで電流に寄与できる正電荷ポーラロン(以下＋と表記)ができ、ドーピングしたポリアセチレンはキャリア濃度、キャリア移動度が高いので、電気を通すと一応理解してました。 しかし、実際に電子(以下－と表記)の移動を考えてみると、電池から来た－が、＋の正孔にぶつかると、そのまま消滅してしまい、電流は流れないのではないか？とわけがわからなくなってしまいした。つまり、いくらポリアセチレン上に正孔があろうが、その正孔は電子によって全部消されて、不導体に戻るだけなのではないでしょうか？ 半導体だってＰとＮがあってはじめて電流が(多分)流れるのでＰだけでは流れないと思います。 誰かこの理解できない僕を助けてください。本当にお願いします。
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専門家ではないのでかなり定性的ですが、こう考えてはいかがでしょう。 正孔とは、あくまで電子があるべきところにない状態を指し、そこに電子が出会ったとしても、電子と正孔で消滅するのではなく正孔に束縛された電子の状態（電気的に釣り合った状態）に戻ると考えると解り易いかもしれません。例えば、金属の自由電子は、束縛されるポテンシャルが小さく、自由に移動できる電子がたくさんあり、正孔もそれと等量あると考えられるでしょう。たとえ正孔と出会ったとしても、その電子はやはり、自由に移動しやすい状態です。そこで、電池などから、電子、正孔の供給があれば（電場がかかれば）、電子、正孔の衝突を繰り返しますが、やはり、電流として流れるのです。この衝突の確率、束縛の強さなどが移動度に反映されていると思います。 純正の半導体は金属に比べて、電子を束縛するポテンシャル（バンドギャップ）が大きく束縛されていない電子は少ないですが、自由に移動できる電子・正孔に対しては金属の場合と概念は同じかと考えられます。半導体のキャリア濃度は、バンドギャップを電子が飛び越えるのに必要な熱的励起の確率が考慮されています。アモルファスの半導体や不純物半導体の伝導は、バンドギャップがブロードになるため、ホッピング伝導と呼ばれる伝導で、キャリア濃度は熱的励起の確率と束縛されるランダムなポテンシャルを考慮して説明されているようです。 ポリアセチレンは、ドーピングの度合いや結晶性の違いによって、半導体的に振舞ったり、金属的に振舞ったりしますが、電流が流れるという概念は、ポーラロンやソリトンであろうが、同様に考えられます。ただし、電子とは異なる量子パラメーターですので、導電率も異なった方程式で表されると思います。 付け加えて、導電性高分子の電気伝導は、ポリマー鎖内、ポリマー鎖間の伝導が寄与しますので、その解釈も複雑かと思います。
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- Lacoon
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高分子では共役系が長くなると、分子軌道の重なりからエネルギーがバンド構造をとるようになります。 このバンド構造に含まれる電子はFermi-Dirac分布に従うので、絶対零度以上では空のバンド(伝導帯)に昇位できる電子が存在し、これが電気伝導を担います。 また、ドーピングの効果はそのドーピングされた不純物によるバンドが本来のバンドギャップより昇位しやすい(ギャップが狭い)位置に形成されるため、電子 または ホールをそのバンドに吐き出して新たに外部からのキャリアを注入できるようになっている、とされています。 詳しくはAtkinsの物理化学などにかかれています。
- Ichitsubo
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単純な説明で申し訳ありません。 電気が流れると言うことは電子が流れることです。 金属などでは電子が自由に動けるので電気が流れます。 ポリアセチレンでは、ポリアセチレンの分子鎖が …-C=C-C=C-C=C-C=C-… と非常に長い共役π電子系を持っています。 このπ電子雲上を電子が動いていけるようになるためポリアセチレンは導電性を持ちます。
