radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2026-29-2-6-18radioelectronics-1126Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКАMICRO- AND NANOELECTRONICSМеханизмы проводимости полианилина (обзор)Conduction Mechanisms in Polyaniline (Review)https://orcid.org/0009-0004-3932-1239БелугинМ. В.BeluginM. V.

Белугин Максим Вячеславович – магистр по специальности "Химия биологически активных веществ" (2024, Курский государственный университет), аспирант 2-го года обучения по специальности "Теплофизика и теоретическая теплотехника" кафедры физики и нанотехнологий Курского государственного университета, инженер-химик ООО "Курский завод композитных материалов". Автор одной научной публикаций. Сфера научных интересов – физика полупроводников; квантово-химические вычисления.

ул. Радищева, д. 33, Курск, 305000 

Maksim V. Belugin, Master's degree in Chemistry of Biologically Active Substances (2024, Kursk State University), 2-year Postgraduate Student in "Thermal physics and theoretical heat engineering" of the Department of Physics and Nanotechnology of Kursk State University, chemical engineer of Kursk Composite Materials Plant LLC. The author of 1 scientific publication. Area of expertise: semiconductor physics; quantum-chemical calculations. 

33, Radishcheva St., Kursk 305000 

maksym.belugin@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0001-9703-3375БудаевА. В.BudaevA. V.

Будаев Артем Викторович – кандидат физико-математических наук (2023), младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории наноструктурированных сегнетоэлектрических материалов, старший преподаватель кафедры физики и нанотехнологий. Автор 40 научных работ. Сфера научных интересов – сегнетоэлектрические наноструктуры; нанокомпозитные материалы; физика полупроводников.

ул. Радищева, д. 33, Курск, 305000 

Artem V. Budaev, Cand. Sci. (Phys.-Math.) (2023), Junior Researcher of the Research Laboratory of Nanostructured Ferroelectric Materials, Senior Lecturer of the Department of Physics and Nanotechnology of Kursk State University. The author of 40 scientific publications. Area of expertise: ferroelectric nanostructures, nanocomposite materials; semiconductor physics. 

33, Radishcheva St., Kursk 305000  

budartem@mail.ruКурский государственный университетРоссияKursk State UniversityRussian Federation202626042026292618Copyright © Белугин М.В., Будаев А.В., 20262026Белугин М.В., Будаев А.В.Belugin M.V., Budaev A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/1126Введение

Введение. Полианилин (Polyaniline – PANI) демонстрирует уникальное сочетание электрофизических свойств, стабильности и простоты синтеза, что относит его к числу наиболее перспективных проводящих полимеров. Способность к значительному изменению электропроводности в процессе протонирования открывает широкие возможности управления функциональными характеристиками материалов. Несмотря на интенсивные исследования, механизмы переноса заряда в системах на основе PANI остаются недостаточно изученными. Отсутствие единой теоретической модели, описывающей взаимосвязь между химической структурой и электронными свойствами, создает существенные ограничения для целенаправленного создания материалов на основе PANI с заданными параметрами.

Цель работы

Цель работы. Систематизация современных представлений о механизмах проводимости PANI с последующей разработкой комплексного подхода, объединяющего поляронную теорию и модели прыжковой проводимости.

Материалы и методы

Материалы и методы. Отбор литературных источников для анализа проводился с использованием хронологического подхода за период более 10 лет, что обусловлено необходимостью ретроспективного анализа формирования современных взглядов на механизм проводимости PANI и расширение областей его применения. Критерием формирования итогового массива источников послужило наличие в них фактических данных, соответствующих тематике исследования.

Результаты

Результаты. Проведенный анализ выявил преобладание поляронного механизма проводимости протонированного PANI и недостаточность существующих теоретических моделей (прыжкового транспорта с переменной длиной прыжка и туннельных механизмов) для полного описания его электронных свойств, что требует разработки комплексного подхода, интегрирующего элементы различных теорий транспорта.

Заключение

Заключение. Анализ современных теоретических подходов к описанию проводимости PANI выявил принципиальные различия в моделях прыжкового транспорта и туннельных механизмов. Отмечается, что ни одна из концепций не обладает достаточной предсказательной силой в отношении пространственного распределения переноса заряда. Полученные результаты свидетельствуют о необходимости создания синтетической теории, объединяющей методологические преимущества рассмотренных подходов. Разработка такой гибридной модели позволит обеспечить прогресс в проектировании PANI-содержащих материалов с заданными электрофизическими характеристиками.

Introduction

Introduction. Polyaniline (PANI) demonstrates a unique combination of electrophysical properties, stability, and ease of synthesis, making this material one of the most promising conductive polymers. Its ability to significantly alter electrical conductivity during protonation provides broad opportunities for tailoring the functional characteristics of materials. Despite extensive research, the charge transfer mechanisms in PANI-based systems remain insufficiently studied. The lack of a unified theoretical model describing the relationship between chemical structure and electronic properties poses significant limitations for the targeted development of PANI-based materials with specified parameters.

Aim

Aim. To generalize current knowledge of conduction mechanisms in PANI and to develop a comprehensive approach integrating polaron theory and hopping conductivity models.

Materials and methods

Materials and methods. The selection of literature sources for review was conducted using a chronological approach covering a period of over 10 years, driven by the need for a retrospective analysis of the evolution of modern views on conduction mechanisms in PANI and the extension of its application areas. The criterion for forming the final set of sources was the presence of factual data relevant to the research topic.

Results

Results. The analysis revealed the predominance of the polaron conduction mechanism in protonated PANI and highlighted the inadequacy of existing theoretical models (such as variable-range hopping and tunneling mechanisms) in providing a comprehensive description of its electronic properties. This necessitates the development of a comprehensive approach integrating elements of various transport theories.

Conclusion

Conclusion. The analysis of modern theoretical approaches to describing conductivity in PANI revealed fundamental differences between hopping transport and tunneling mechanism models. It is noted that none of the concepts possesses sufficient predictive power regarding the spatial distribution of charge transfer. The obtained results indicate the need to develop a synthetic theory combining the methodological advantages of the considered approaches. The creation of such a hybrid model will facilitate progress in the design of PANI-containing materials with tailored electrophysical characteristics.

PANIэмеральдинэлектропроводностьдопированиемодель МоттаполяронтуннелированиеPANIemeraldineelectrical conductivitydopingMott modelpolarontunnelingReferencesElectronic conduction in polymers. I. The chemical structure of polypyrrole / R. McNeill, R. Siudak, Jh. Wardlaw, D. E. Weiss // Australian J. of Chemistry. 1963. Vol. 16, № 6. Р. 1056–1075. doi: 10.1071/CH9631056McNeill R., Siudak R., Wardlaw Jh., Weiss D. E. Electronic Conduction in Polymers. I. The Chemical Structure of Polypyrrole. Australian J. of Chemistry. 1963, vol. 16, no. 6, pp. 1056–1075. doi: 10.1071/CH9631056Boeva Z. A., Sergeyev V. G. Polyaniline: Synthesis, properties, and application // Polymer Science Series C. 2014. Vol. 56, № 1. Р. 144–153. doi: 10.1134/S1811238214010032Boeva Z. A., Sergeyev V. G. Polyaniline: Synthesis, Properties, and Application. Polymer Science Series C. 2014, vol. 56, no. 1, pp. 144–153. doi: 10.1134/S1811238214010032Large-scale fabrication of pseudocapacitive glass windows that combine electrochromism and energy storage / P. Yang, P. Sun, Zh. Chai, L. Huang, X. Cai, Sh. Tan, J. Song, W. Mai // Angewandte Chemie. 2014. Vol. 126, № 44. Р. 12129–12133. doi: 10.1002/ange.201407365Yang P., Sun P., Chai Zh., Huang L., Cai X., Tan Sh., Song J., Mai W. Large‐Scale Fabrication of Pseudocapacitive Glass Windows That Combine Electrochromism and Energy Storage. Angewandte Chemie. 2014, vol. 126, no. 44, pp. 12129–12133. doi: 10.1002/ange.201407365Electrochemically stable carbazole-derived polyaniline for pseudocapacitors / M. Almtiri, T. Dowell, H. Giri, D. O Wipf, C. N. Scott // ACS Applied Polymer Materials. 2022. Vol. 4, № 5. Р. 3088–3097. doi: 10.1021/acsapm.1c01616Almtiri M., Dowell T., Giri H., Wipf D. O., Scott C. N. Electrochemically Stable Carbazole-Derived Polyaniline for Pseudocapacitors. ACS Applied Polymer Materials. 2022, vol. 4, no. 5, pp. 3088–3097. doi: 10.1021/acsapm.1c01616Mozafari M., Chauhan N. P. S. Fundamentals and emerging applications of polyaniline. Netherlands: Elsevier, 2019. 308 p.Mozafari M., Chauhan N. P. S. Fundamentals and Emerging Applications of Polyaniline. Netherlands, Elsevier, 2019, 308 p.Новости нанотехнологий // Нано- и микросистемная техника. 2005. № 7. С. 45–51.News of Nanotechnology. Nano- and Microsystem Engineering. 2005, no. 7, pp. 45–51. (In Russ.)Polyaniline nanowires-gold nanoparticles hybrid network based chemiresistive hydrogen sulfide sensor / M. D. Shirsat, M. A. Bangar, M. A. Deshusses, N. V. Myung, A. Mulchandani // Applied physics let. 2009. Vol. 94. № 8. Art. № 083502. doi: 10.1063/1.3070237Shirsat M. D., Bangar M. A., Deshusses M. A., Myung N. V., Mulchandani A. Polyaniline NanowiresGold Nanoparticles Hybrid Network Based Chemiresistive Hydrogen Sulfide Sensor. Applied Physics Let. 2009, vol. 94, no. 8, art. no. 083502. doi: 10.1063/1.3070237Highly sensitive glucose sensor based on Pt nanoparticle/polyaniline hydrogel heterostructures / D. Zhai, B. Liu, Yi Shi, L. Pan, Ya. Wang, W. Li, R. Zhang, G. Yu // ACS nano. 2013. Vol. 7, № 4. Р. 3540–3546. doi: 10.1021/nn400482dZhai D., Liu B., Shi Yi, Pan L., Wang Ya., Li W., Zhang R., Yu G. Highly Sensitive Glucose Sensor Based on Pt Nanoparticle/Polyaniline Hydrogel Heterostructures. ACS Nano. 2013, vol. 7, no. 4, pp. 3540–3546. doi: 10.1021/nn400482dA novel polyquinone cathode material for rechargeable lithium batteries / L. Zhao, W. Wang, A. Wang, K. Yuan, Shi Chen, Yu. Yang // J. of power sources. 2013. Vol. 233. Р. 23–27. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.01.103Zhao L., Wang W., Wang A., Yuan K., Chen Shi, Yang Yu. A Novel Polyquinone Cathode Material for Rechargeable Lithium Batteries. J. of Power Sources. 2013, vol. 233, pp. 23–27. doi: 10.1016/j.jpowsour.2013.01.103Graphene/polyaniline nanofiber composites as supercapacitor electrodes / K. Zhang, L. L. Zhang, X. S. Zhao, J. Wu // Chemistry of Materials. 2010. Vol. 22, № 4. Р. 1392–1401. doi: 10.1021/cm902876uZhang K., Zhang L. L., Zhao X. S., Wu J. Graphene/Polyaniline Nanofiber Composites as Supercapacitor Electrodes. Chemistry of Materials. 2010, vol. 22, no. 4, pp. 1392–1401. doi: 10.1021/cm902876uЛачинов А. Н., Салихов Р. Б., Бунаков А. А. Механизмы переноса заряда в тонких полимерных пленках // Изв. Российского гос. педагогического ун-та им. А. И. Герцена. 2015. Т. 5, № 13. С. 80–91.Lachinov A. N., Salikhov R. B., Bunakov A. A. Charge Transport Mechanisms in Thin Polymer Films. Izvestia: Herzen University J. of Humanities & Sciences. 2015, vol. 5, no. 13, pp. 80–91. (In Russ.)Bhandari S. Polyaniline: structure and properties relationship // Polyaniline Blends, Composites and Nano-composites. 2018. P. 23–60. doi: 10.1016/B978-0-12-809551-5.00002-3Bhandari S. Polyaniline: Structure and Properties Relationship. Polyaniline Blends, Composites and Nano-composites. 2018, pp. 23–60. doi: 10.1016/B978-0-12-809551-5.00002-3Stejskal J., Kratochvíl P., Jenkins A. D. The formation of polyaniline and the nature of its structures // Polymer. 1996. Vol. 37, № 2. P. 367–369. doi: 10.1016/0032-3861(96)81113-XStejskal J., Kratochvíl P., Jenkins A. D. The Formation of Polyaniline and the Nature of Its Structures. Polymer. 1996, vol. 37, no. 2, pp. 367–369. doi: 10.1016/0032-3861(96)81113-XChiang J. C., MacDiarmid A. G. ‘Polyaniline’: protonic acid doping of the emeraldine form to the metallic regime // Synthetic Metals. 1986. Vol. 13, № 1–3. P. 193–205. doi: 10.1016/0379-6779(86)90070-6Chiang J. C., MacDiarmid A. G. ‘Polyaniline’: Protonic Acid Doping of the Emeraldine Form to the Metallic Regime. Synthetic Metals. 1986, vol. 13, no. 1–3, pp. 193–205. doi: 10.1016/0379-6779(86)90070-6Polaron lattice in highly conducting polyaniline: Theoretical and optical studies / S. Stafström, J. L. Brédas, A. J. Epstein, H. S. Woo, D. B. Tanner, W. S. Huang, A. G. MacDiarmid // Physical Review Let. 1987. Vol. 59, № 13. P. 1464–1467. doi: 10.1103/PhysRevLett.59.1464Stafström S., Brédas J. L., Epstein A. J., Woo H. S., Tanner D. B., Huang W. S., MacDiarmid A. G. Polaron Lattice in Highly Conducting Polyaniline: Theoretical and Optical Studies. Physical Review Let. 1987, vol. 59, no. 13, pp. 1464–1467. doi: 10.1103/PhysRevLett.59.1464Polyaniline: a new concept in conducting polymers / A. G. MacDiarmid, J. C. Chiang, A. F. Richter, A. J. Epstein // Synthetic Metals. 1987. Vol. 18, № 1–3. P. 285–290. doi: 10.1016/0379-6779(87)90893-9MacDiarmid A. G., Chiang J. C., Richter A. F., Epstein A. J. Polyaniline: a New Concept in Conducting Polymers. Synthetic Metals. 1987, vol. 18, no. 1–3, pp. 285–290. doi: 10.1016/0379-6779(87)90893-9Тимонов А. М., Васильева С. В. Электронная проводимость полимерных соединений // Соросовский образовательный журн. 2000. Т. 6, № 3. С. 33–39.Timonov A. M., Vasilyeva S. V. Electron Conductivity of Polymeric Compounds. Soros Educational J. 2000, vol. 6, no. 3, pp. 33–39. (In Russ.)Electron and proton conducting polymers: recent developments and prospects / G. Inzelt, M Pineri, J. W. Schultze, M. A. Vorotyntsev // Electrochimica Acta. 2000. Vol. 45, № 15–16. P. 2403–2421. doi: 10.1016/S0013-4686(00)00329-7Inzelt G., Pineri M., Schultze J. W., Vorotyntsev M. A. Electron and Proton Conducting Polymers: Recent Developments and Prospects. Electrochimica Acta. 2000, vol. 45, no. 15–16, pp. 2403–2421. doi: 10.1016/S0013-4686(00)00329-7Jaiswal M., Menon R. Polymer electronic materials: a review of charge transport // Polymer international. 2006. Vol. 55, № 12. P. 1371–1384. doi: 10.1002/PI.2111Jaiswal M., Menon R. Polymer Electronic Materials: A Review of Charge Transport. Polymer International. 2006, vol. 55, no. 12, pp. 1371–1384. doi: 10.1002/PI.2111Roth S., D. Carroll D. One-Dimensional Metals. 3rd ed. Weinheim: Wiley-VCH, 2014. 335 p.Roth S., D. Carroll D. One-Dimensional Metals. 3rd ed. Weinheim, Wiley-VCH, 2014, 335 p.Pressure dependence of the electrical resistivity in polymer polyaniline / D. Huang, D. Xie, J. Gao, W. Lv, Sh. Hong // Advances in Materials Science and Engineering. 2013. Vol. 2013, № 1. Art. № 124365. doi: 10.1155/2013/124365Huang D., Xie D., Gao J., Lv W., Hong Sh. Pressure Dependence of the Electrical Resistivity in Polymer Polyaniline. Advances in Materials Science and Engineering. 2013, vol. 2013, no. 1, art. no. 124365. doi: 10.1155/2013/124365Kwon O., McKee M. L. Calculations of band gaps in polyaniline from theoretical studies of oligomers // The J. of Physical Chemistry B. 2000. Vol. 104, № 8. P. 1686–1694. doi: 10.1021/jp9910946Kwon O., McKee M. L. Calculations of Band Gaps in Polyaniline from Theoretical Studies of Oligomers. The J. of Physical Chemistry B. 2000, vol. 104, no. 8, pp. 1686–1694. doi: 10.1021/jp9910946Spectroscopy and defect states in polyaniline / R. P. McCall, J. M. Ginder, J. M. Leng, H. J. Ye, S. K. Manohar, J. G. Masters, G. E. Asturias, A. G. MacDiarmid, A. J. Epstein // Physical Review B. 1990. Vol. 41, № 8. Art. № 5202. doi: 10.1103/PhysRevB.41.5202McCall R. P., Ginder J. M., Leng J. M., Ye H. J., Manohar S. K., Masters J. G., Asturias G. E., MacDiarmid A. G., Epstein A. J. Spectroscopy and Defect States in Polyaniline. Physical Review B. 1990, vol. 41, no. 8, art. no. 5202. doi: 10.1103/PhysRevB.41.5202Enzymatically synthesized conducting polyaniline / W. Liu, Ja. Kumar, S. Tripathy, K. J. Senecal, L. Samuelson // J. of the American Chemical Society. 1999. Vol. 121, № 1. P. 71–78. doi: 10.1021/ja982270bLiu W., Kumar Ja., Tripathy S., Senecal K. J., Samuelson L. Enzymatically Synthesized Conducting Polyaniline. J. of the American Chemical Society. 1999, vol. 121, no. 1, pp. 71–78. doi: 10.1021/ja982270bWu C. G., Bein T. Polyaniline wires in oxidantcontaining mesoporous channel hosts // Chemistry of materials. 1994. Vol. 6, № 8. P. 1109–1112. doi: 10.1021/cm00044a008Wu C. G., Bein T. Polyaniline Wires in Oxidant-Containing Mesoporous Channel Hosts. Chemistry of Materials. 1994, vol. 6, no. 8, pp. 1109–1112. doi: 10.1021/cm00044a008Progress in understanding structure and transport properties of PEDOT-based materials: A critical review / M. N. Gueye, A. Carella, J. Faure-Vincent, R. Demadrille, J.-P. Simonato // Progress in Materials Science. 2020. Vol. 108. Art. № 100616. doi: 10.1016/j.pmatsci.2019.100616Gueye M. N., Carella A., Faure-Vincent J., Demadrille R., Simonato J.-P. Progress in Understanding Structure and Transport Properties of PEDOTBased Materials: A Critical Review. Progress in Materials Science. 2020, vol. 108, art. no. 100616. doi: 10.1016/j.pmatsci.2019.100616Rudenko R. M., Voitsihovska O. O., Poroshin V. N. Sequential change of semiconductor mechanisms of electrical conductivity in ternary PVDF/polyaniline/MWCNT nanocomposite in the wide temperature range of 4.2– 340 K // Materials Let. 2023. Vol. 350. Art. № 134976. doi: 10.1016/j.matlet.2023.134976Rudenko R. M., Voitsihovska O. O., Poroshin V. N. Sequential change of semiconductor mechanisms of electrical conductivity in ternary PVDF/polyaniline/MWCNT nanocomposite in the wide temperature range of 4.2– 340 K. Materials Let. 2023, vol. 350, art. no. 134976. doi: 10.1016/j.matlet.2023.134976Жмурова А. В. Механизмы электропроводности в нанокомпозитах с проводящей полимерной матрицей // Наука и современность. 2015. № 39. С. 103–108. doi: 10.1002/app.44703Zhmurova A. V. Mechanisms of Electrical Conductivity in Nanocomposites with a Conductive Polymer Matrix. Science and Modernity. 2015, no. 39, pp. 103–108. (In Russ.) doi: 10.1002/app.44703Bhandari S., Khastgir D. Synergistic effect of simultaneous dual doping in solvent-free mechanochemical synthesis of polyaniline supercapacitor comparable to the composites with multiwalled carbon nanotube // Polymer. 2015. Vol. 81. P. 62–69. doi: 10.1016/j.polymer.2015.10.015Bhandari S., Khastgir D. Synergistic Effect of Simultaneous Dual Doping in Solvent-Free Mechanochemical Synthesis of Polyaniline Supercapacitor Comparable to the Composites With Multiwalled Carbon Nanotube. Polymer. 2015, vol. 81, pp. 62–69. doi: 10.1016/j.polymer.2015.10.015Mott N. F., Davis E. A. Electronic processes in non-crystalline materials. Oxford: Oxford University Press, 2012. 608 p. doi: 10.1080/00107514.2014.933254Mott N. F., Davis E. A. Electronic Processes in Non-Crystalline Materials. Oxford, Oxford University Press, 2012, 608 p. doi: 10.1080/00107514.2014.933254Study on the Crystallinity of Polyaniline / W. Fosong, T. Jinsong, W. Lixiang, Zh. Hongfang, Mo Zhishen // Molecular Crystals and Liquid Crystals. 1988. Vol. 160, № 1. P. 175–184. doi: 10.1080/15421408808083012Fosong W., Jinsong T., Lixiang W., Hongfang Zh., Zhishen Mo. Study on the Crystallinity of Polyaniline. Molecular Crystals and Liquid Crystals. 1988, vol. 160, no. 1, pp. 175–184. doi: 10.1080/15421408808083012Éfros A. L., Shklovskii B. I. Coulomb gap and low temperature conductivity of disordered systems // J. of Physics C: Solid State Physics. 1975. Vol. 8, № 4. P. L49. doi: 10.1088/0022-3719/8/4/003Éfros A. L., Shklovskii B. I. Coulomb Gap and Low Temperature Conductivity of Disordered Systems. J. of Physics C: Solid State Physics. 1975, vol. 8, no. 4, p. L49. doi: 10.1088/0022-3719/8/4/003Transport and EPR studies of polyaniline: A quasi-one-dimensional conductor with three-dimensional "metallic" states / Z. H. Wang, E. M. Scherr, A. G. MacDiarmid, A. J. Epstein // Physical Review B. 1992. Vol. 45, № 8. Art. № 4190. doi: 10.1103/PhysRevB.45.4190Wang Z. H., Scherr E. M., MacDiarmid A. G., Epstein A. J. Transport and EPR Studies of Polyaniline: a Quasi-One-Dimensional Conductor with Three-Dimensional "Metallic" States. Physical Review B. 1992, vol. 45, no. 8, art. no. 4190. doi: 10.1103/PhysRevB.45.4190

The authors declare that there are no conflicts of interest present.