הרשמה ל-JoVE נדרשת לצפייה בתוכן זה. התחברו או התחילו בגרסת ניסיון בחינם.

מאמר שיטה

בתצהיר אדים תגובתי של סרט פולימרי מצומדת על מצעים שרירותי

37.3K צפיות

⸱

DOI:

10.3791/56775

⸱

17 בינואר 2018

 , 
1Department of Chemistry, University of Wisconsin-Madison, 2Department of Chemistry, University of Massachusetts Amherst, 3Department of Polymer Science and Engineering, University of Massachusetts Amherst

במאמר זה

סיכום

מאמר זה מציג בתצהיר אדים תגובתי של poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene), פוליפוני פרוטוקול (thieno [3,2 -b] thiophene) סרטים על שקופיות זכוכית, מצעים קשה, כגון טקסטיל ונייר.

תקציר

נדגים שיטה של ציפוי conformally מצומדת פולימרים על מצעים שרירותי באמצעות תא תגובה אישית מעוצבת, בלחץ נמוך. פולימרים מוליכים, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT), poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT), ופולימרים מוליכים למחצה, פוליפוני (thieno [3,2 -b] thiophene) (PTT), הופקדו על-קונבנציונאלי מגרה מאוד, מצעים בעלי מרקם עם אזורים משטח גבוהה, כגון נייר, מגבות ובדים. זה דיווחו על התצהיר קאמרית הוא שיפור של כורי אדים הקודמת כי המערכת שלנו יכול להכיל מונומרים נדיף והן לא נדיף, כגון 3,4-propylenedioxythiophene ו- thieno [3,2 -b] thiophene. ניצול של חמצון מוצק וגם נוזלי מודגמות גם. מגבלה אחת של שיטה זו היא שחסר בו מתוחכמים בחיי עיר עובי צגים. ציפויים פולימריים שנעשו על ידי השיטות ציפוי על בסיס פתרון בשימוש נפוץ, כגון ציפוי ספין, משטח השתלת עור, הם לעתים קרובות לא אחיד או רגישים השפלה מכני. זה דיווח אדי שלב התצהיר שיטה מתגבר על החסרונות האלה, היא חלופה חזקה לשיטות ציפוי על בסיס פתרון משותף. ראוי לציין, סרטים פולימריים מצופה בשיטת שדווחו הן אחיד קונפורמיים על משטחים קשים, אפילו בקנה מידה מיקרומטר. תכונה זו מאפשרת עבור יישומים עתידיים של אדי שהופקדו פולימרים במכשירים אלקטרוניקה על מצעים בעלי מרקם חזק וגמישים.

מבוא

חומרים מוליכים למחצה וניצוח פולימריים יש מאפיינים ייחודיים, כגון גמישות1, stretchability2, שקיפות3וצפיפות נמוכה,4 אפשרויות יוצאת דופן עבור יצירת הדור הבא מכשירים אלקטרוניים על אנרגטיקה סובסטרטים. כיום, חוקרים רבים הם משתדלים לנצל את תכונותיו הייחודיות של חומרים פולימריים ליצירת גמיש ו/או אלקטרוניקה לביש5,6 , טקסטיל חכמים7. עם זאת, היכולת conformally מעיל משטחים בעלי מרקם חזק של מצעים שאינם חזקים, כגון נייר, בדים, חוטי/יפצחו, נשאר unmastered. ולרוב, פולימרים מסונתז, מצופה על משטחים באמצעות שיטות פתרון. 8 , 9 , 10 , 11 , 12 למרות שיטות הפתרון לספק סיבי פולימר/טקסטיל, ציפוי שהושג ובכך הם לעתים קרובות לא אחידה ולהיפגע בקלות על ידי לחצים פיזיים קטנים13,14 . שיטות פתרון חלים גם לא ציפוי נייר בגלל הרטבת בעיות.

בתצהיר אדים תגובתי יכול ליצור סרטים פולימריים מצומדת קונפורמיים על מגוון רחב של מצעים, ללא התחשבות כימיה משטח/קומפוזיציה, אנרגיה משטח, חספוס פני השטח/הטופוגרפיה15. בגישה זו, פולימרים מצומדת מסונתז בשלב אדי מספקים את ואדים מונומר, חמצון בו זמנית על פני השטח. מערך הפילמור וקולנוע מתרחשת על פני השטח של שלב בודד, ללא הממס. שיטה זו ישימה באופן תיאורטי על כל פולימר מצומדת זה יכול להיות מסונתז על ידי הפילמור חימצוני באמצעות שיטות פתרון. עם זאת, עד כה, פרוטוקולים עבור הפקדת רק סט צר של פולימר מצומדת מבנים ידועים. 15

כאן, נדגים בתצהיר של מוליך poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT), ואת פוליפוני מוליכים למחצה (thieno [3,2 -b] thiophene) (סניף הדואר) בסרטים דרך בתצהיר אדים תגובתי. שני סוגים של חמצון, FeCl מוצק3 ו- Br נוזלי2, משמשים בתהליך. פולימרים התואם נקראים Cl-PProDOT Cl-סניף הדואר, Br-PEDOT. מצעים קונבנציונאלי, שקופיות זכוכית וגם מצעים עם מרקם לא שגרתיים, כגון נייר, מגבות ובדים, היו מצופה פולימר הסרטים.

פרוטוקול זה מתאר את ההתקנה של התא בתצהיר אדים לפי הזמנה ופרטי של תהליך התצהיר. זה נועד לעזור למתרגלים חדשים כדי לבנות את מערכת התצהיר ולהימנע מלכודות נפוצות המשויך אדי-שלב הסינתזה.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

קרא MSDS עבור ריאגנטים ופעל כל אמצעי בטיחות כימית כנדרש על-ידי המוסד שלך.

1. בתצהיר של Cl-PProDOT ו- Cl-סניף דואר

  1. לבנות המבנה של תא התצהיר לפי הזמנה אדי צינורי כמוצג באיור1.
    1. כוסית 1/4-אין (הקוטר החיצוני, יתר) התמזגו קוורץ כניסת צד לרכבת התחתית fused קוורץ (יתר) 2-in.... להפוך מלכודת קר עם צינור נירוסטה לפי הזמנה בצורת U 1-אין, בקבוקון דיואר.
    2. לחבר את הצינור קוורץ עם מד ואקום, מלכודת קר באמצעות מחברי KF-נירוסטה, חיבור מהיר זיווגים. למקם את מונומר האמפולה קוורץ ולהתחבר את האמפולה תא צינורי ויה 1/4-אין חיבור מהיר זיווגים, שסתום מחט. מקם את חמצון כור בבית הבליעה.
    3. להשתמש קלטות חימום נפרד חימום מקורות את חמצון, מצעים, של מונומר. הוסף את כניסת הגז בקצה הימני של החדר כדי להציג את הגזים האצילים נוספים כדי לשלוט על הלחץ תהליך במידת הצורך.
  2. בתצהיר של Cl-PProDOT
    1. מוסיפים 50 מ"ג של 3,4-propylenedioxythiophene (ProDOT) האמפולה מונומר וחבר אותו לתא צינורי. . פקח את שסתום מחט
    2. לשים מצעים (שקופיות זכוכית, בדים, נייר, וכו ') בבית הבליעה. הגודל של סובסטרטים הוא 1.3 ס"מ x 2.5 ס"מ.
    3. מוסיפים 50 מ"ג של FeCl3 5-mL כור ולמקם אותו בבית הבליעה.
      הערה: המיקומים היחסיים של הים מונומר, מצעים, ציד המכשפות מוצגות באיור1. המרחק בין הים מונומר המכשפות הוא 13 ס מ.
    4. להפעיל את המשאבה. סגור את השסתום בצד הימני של החדר באיטיות. לאחר התא הלחץ הוא מתחת 525 mTorr (70 הרשות הפלסטינית), להוסיף חנקן נוזלי במלכודת קר.
    5. לעטוף את אזורי חימום שלושה עם חימום הקלטת וחבר את הקלטת חימום בקרי טמפרטורה.
    6. כאשר הלחץ יורד על-ידי עיבוד (52.5 mTorr, 7 הרשות הפלסטינית), סגור את השסתום המחט של המיכל מונומר.
    7. להפעיל חימום של חמצון, על מצעים של מונומר-170 ° C, 80 ° C ו- 80 ° C, בהתאמה. לאחר ~ 10 דקות, FeCl3 הוא מתאדה, אדום FeCl3 מוצק נוצר באזור מגניבה.
    8. . פתח את הברז המחט של המיכל מונומר
      הערה: סרטים רזה בצבע כחול יכול להיווצר באזור המצע. שיעורי צמיחה טיפוסי הם ~ 10 ננומטר לדקה להבטיח את FeCl3 אדי הוא הקים בבית הבליעה לפני פתיחת שסתום מחט את המכולה מונומר. אחרת, מונומר להגיב עם FeCl3 מוצק בתוך המכשפות, ליצור שכבת פולימר אשר מונע את אידוי נוספות של חמצון.
    9. סגור את שסתום מחט של המיכל מונומר כאשר העובי הרצוי מושגת. לבטל את כל הקלטת חימום וקירור המערכת לטמפרטורת החדר.
    10. פתיחת שסתום כניסת הגז וכבה את המשאבה.
    11. לקחת את הדגימות מהחדר. בזהירות לטבול את הדגימות ב מתנול למשך 30 דקות להסיר את חמצון שיורית ואת מונומר.
      הערה: שטיפה פעם צריך להגדיל כמו עליות עובי הסרט. 30-מין שטיפה זה אופייני לסרטים דק יותר מ- 100 ננומטר בשקופיות זכוכית. סרטים עבה יותר 500 ננומטר אולי delaminate מן המצע בעת שטיפה.
    12. בזהירות מכה יבשה הדגימות עם גז חנקן.
  3. בתצהיר של Cl-סניף דואר
    1. להוסיף 50 מ"ג של thieno [3,2 -b] thiophene (TT) ב- האמפולה מונומר וחבר אותו לתא צינורי. . פקח את שסתום מחט
    2. חזור על שלבים 1.2.2. עד 1.2.12.

2. הפקדת Br-PEDOT

  1. התצהיר קאמרית ההתקנה
    1. להוסיף על כניסת צד 1/4-in. נוסף עבור חמצון הצינור קוורץ ולהפוך אותו פנימה 8 מלבד לים מונומר. הכנס את חמצון נוזלי האמפולה קוורץ וחבר את האמפולה לתא צינורי באותו אופן כמו מונומר (איור 2).
  2. בתצהיר של Br-PEDOT
    1. להוסיף 2 מ של 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) האמפולה מונומר וחבר את האמפולה תא צינורי. . פקח את שסתום מחט
    2. מצעים המקום (שקופיות זכוכית, בדים, נייר, וכו ') בבית הבליעה צינורי ליד הים אדי מונומר. הגודל של המצע הוא 1.3 ס"מ x 2.5 ס"מ.
    3. בשכונה fume, להוסיף 2 מ"ל של Br2 האמפולה חמצון, להתחבר את האמפולה שסתום מחט ולשמור את שסתום מחט סגור. לחבר את שסתום מחט הצינור קוורץ.
      התראה: Br2 הינו חומר מסוכן. שימוש באזהרה בעת הטיפול.
    4. להפעיל את המשאבה. סגור את השסתום בצד הימני של החדר באיטיות. לאחר התא הלחץ הוא מתחת 525 mTorr (70 הרשות הפלסטינית), להוסיף חנקן נוזלי במלכודת קר.
    5. לעטוף את האזור מונומר עם חימום הקלטת וחבר אותו עם בקר טמפרטורה. לשמור על האזור המצע, חמצון בטמפרטורת החדר.
    6. כאשר הלחץ יורד על-ידי עיבוד של 52.5 mTorr (7 הרשות הפלסטינית), לפתוח את השסתום המחט של חמצון.
      הערה: התגובה היא מהירה מאוד. סרטים כחולים PEDOT יהוו קרוב לים מונומר כי Br2 היא מאוד לא יציבה.
    7. לסגור את השסתומים המחט של מונומר וגם את חמצון כאשר עובי הרצויה מושגת.
    8. שכונה חרדית חימום וקירור המערכת לטמפרטורת החדר.
    9. פתיחת שסתום כניסת הגז וכבה את המשאבה. לקחת את הדגימות מהחדר.
      הערה: שטיפה לא נחוצה עבור Br2-מסטול פולימרים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

העובי של Cl-PProDOT הסרטים נוצרו בשקופיות זכוכית 1.3 ס"מ x 2.5 ס"מ שהוצב דיסקרטית לרוחב עמדות לאורך הצינור המרכזי נמדדו על ידי profilometer (איור 3). Conductivities חושבו מתוך מדידות resistivity באמצעות תחנת המבחן בנוי הבית ארבע נקודות בדיקה. מוליכות נמדד סרט Cl-PProDOT עבה 100 ננומטר בשקופיות זכוכית הוא 106 S/ס מ, שהוא מספיק כדי לאשר את הסרט הזה כחומר אלקטרודה פוטנציאליים. איור 4 הוא תמונת AFM של 100-nm PProDOT סרט על משטח זכוכי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

מנגנון התגובה הוא הפילמור חמצוני. שיטות ציפוי פולימרי באמצעות אותו מנגנון כוללים electropolymerization17 , אדי שלב הפילמור18. Electropolymerization דורשת מצע מוליך, חסרה את היתרון של ציפוי אחיד ולא קונפורמית, ויש שיטה המבוססת על פתרון לא ידידותיות לסביבה19. השיטה הקיימת של פלמור שלב אדי דומה לשיטת דיווח כאן אך יכול רק פולימריזציה מאוד נדיף מונומרים20. השיטה שלנו שיפור העיצוב הקאמרית של השיטה הקיימת, ניתן לא רק פולימריזציה מונו...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

המחברים אין לחשוף.

תודות

המחברים להכיר בהכרת תודה תמיכה כספית מ לנו חיל האוויר Office של המחקר המדעי, תחת מספר הסכם FA9550-14-1-0128. ט ל' א מאשר בתודה גם תמיכה חלקית על ידי דוד ולוסיל פקארד קרן.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
3,4-אתילנדיוקסיתיופן, 97%סיגמא אולדריץ'483028
3,4-פרופילנדיוקסיתיופן, 97%סיגמא אולדריץ'660485
תיאנו[3,2-ב]תיופן, 95%סיגמא אולדריץ'702668
FeCl<תת>3, 97%סיגמא אולדריץ'157740
Br<תת>2סיגמא אולדריץ'
207888

מקורות

  1. Kaltenbrunner, M., et al. Ultrathin and lightweight organic solar cells with high flexibility. Nat. Commun. 3, 770(2012).
  2. Savagatrup, S., Printz, A. D., O'Connor, T. F., Zaretski, A. V., Lipomi, D. J. Molecularly Stretchable Electronics. Chem. Mater. 26, 3028-3041 (2014).
  3. Lee, J. -Y., Connor, S. T., Cui, Y., Peumans, P. Semitransparent Organic Photovoltaic Cells with Laminated Top Electrode. Nano Lett. 10, 1276-1279 (2010).
  4. Kaltenbrunner, M., et al. An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics. Nature. 499, 458-463 (2013).
  5. Jost, K., et al. Carbon coated textiles for flexible energy storage. Energy Environ. Sci. 4, 5060-5067 (2011).
  6. Hu, L., et al. Stretchable, Porous, and Conductive Energy Textiles. Nano Lett. 10, 708-714 (2010).
  7. Jost, K., Dion, G., Gogotsi, Y. Textile energy storage in perspective. J. Mater. Chem. A. 2, 10776-10787 (2014).
  8. Ding, Y., Invernale, M. A., Sotzing, G. A. Conductivity Trends of PEDOT-PSS Impregnated Fabric and the Effect of Conductivity on Electrochromic Textile. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2, 1588-1593 (2010).
  9. Hong, K. H., Oh, K. W., Kang, T. J. Preparation and properties of electrically conducting textiles by in situ polymerization of poly(3,4-ethylenedioxythiophene). J. Appl. Polym. Sci. 97, 1326-1332 (2005).
  10. Xu, J., et al. Fabric electrodes coated with polypyrrole nanorods for flexible supercapacitor application prepared via a reactive self-degraded template. Org. Electron. 26, 292-299 (2015).
  11. Du, Y., et al. Thermoelectric Fabrics: Toward Power Generating Clothing. Sci. Rep. 5, 6411(2015).
  12. Yatvin, J., Sherman, S. A., Filocamo, S. F., Locklin, J. Direct functionalization of Kevlar[registered sign] with copolymers containing sulfonyl nitrenes. Polym. Chem. 6, 3090-3097 (2015).
  13. Musumeci, C., Hutchison, J. A., Samori, P. Controlling the morphology of conductive PEDOT by in situ electropolymerization: from thin films to nanowires with variable electrical properties. Nanoscale. 5, 7756-7761 (2013).
  14. Allison, L., Hoxie, S., Andrew, T. L. Towards seamlessly-integrated textile electronics: methods to coat fabrics and fibers with conducting polymers for electronic applications. Chem. Commun. 53, 7182-7193 (2017).
  15. Alf, M. E., et al. Chemical Vapor Deposition of Conformal, Functional, and Responsive Polymer Films. Adv. Mater. 22, 1993-2027 (2010).
  16. Goktas, H., Wang, X., Boscher, N. D., Torosian, S., Gleason, K. K. Functionalizable and electrically conductive thin films formed by oxidative chemical vapor deposition (oCVD) from mixtures of 3-thiopheneethanol (3TE) and ethylene dioxythiophene (EDOT). J. Mater. Chem. C. 4, 3403-3414 (2016).
  17. Sadki, S., Schottland, P., Brodie, N., Sabouraud, G. The mechanisms of pyrrole electropolymerization. Chem. Soc. Rev. 29, 283-293 (2000).
  18. Bhattacharyya, D., Howden, R. M., Borrelli, D. C., Gleason, K. K. Vapor phase oxidative synthesis of conjugated polymers and applications. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 50, 1329-1351 (2012).
  19. Yamato, H., et al. Synthesis of free-standing poly(3,4-ethylenedioxythiophene) conducting polymer films on a pilot scale. Synth. Met. 83, 125-130 (1996).
  20. Cheng, N., Zhang, L., Joon Kim, J., Andrew, T. L. Vapor phase organic chemistry to deposit conjugated polymer films on arbitrary substrates. J. Mater. Chem. C. 5, 5787-5796 (2017).
  21. Borrelli, D. C., Lee, S., Gleason, K. K. Optoelectronic properties of polythiophene thin films and organic TFTs fabricated by oxidative chemical vapor deposition. J. Mater. Chem. C. 2, 7223-7231 (2014).
  22. Jo, W. J., et al. Oxidative Chemical Vapor Deposition of Neutral Hole Transporting Polymer for Enhanced Solar Cell Efficiency and Lifetime. Adv. Mater. 28, 6399-6404 (2016).
  23. Wang, M., et al. CVD Polymers for Devices and Device Fabrication. Adv. Mater. 29, 1604606(2017).
  24. Kovacik, P., Hierro, G. d, Livernois, W., Gleason, K. K. Scale-up of oCVD: large-area conductive polymer thin films for next-generation electronics. Mater. Horiz. 2, 221-227 (2015).
  25. Barr, M. C., et al. Direct Monolithic Integration of Organic Photovoltaic Circuits on Unmodified Paper. Adv. Mater. 23, 3500-3505 (2011).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

תגיות

PEDOTPProDOTPTT
בתצהיר אדים תגובתי של סרט פולימרי מצומדת על מצעים שרירותי
צור קשר
המלצה לספרייה

פרטיות

תנאי שימוש

מדיניות

2026 © זכויות יוצרים MyJoVE Corporation. כל הזכויות שמורות.