Dit document stelt een protocol voor reactieve damp afzetting van poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene) en poly (thieno [3,2 -b] thiofeen) films op glazen dia's en ruwe ondergronden, zoals textiel en papier.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Reactieve Vapor Deposition van geconjugeerd polymeerlagen op willekeurige substraten
In dit artikel
Samenvatting
Samenvatting
We tonen een methode van hoekgetrouw coating geconjugeerd polymeren op willekeurige substraten met behulp van een speciaal ontworpen, lagedruk reactie kamer. Geleidende polymeren, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) en poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT), en een halfgeleidende polymeer, poly (thieno [3,2 -b] thiofeen) (PTT), werden gestort op onconventionele zeer rommelige en gestructureerde ondergronden met hoge oppervlakten, zoals papier, handdoeken en stoffen. Dit gemeld afzetting kamer is een verbetering van vorige damp reactoren omdat ons systeem is geschikt voor zowel vluchtige en niet-vluchtig monomeren, zoals 3,4-propylenedioxythiophene en thieno [3,2 -b] thiofeen. Gebruik van zowel vaste en vloeibare oxidanten zijn ook aangetoond. Een beperking van deze methode is dat het ontbreekt aan verfijnde in situ dikte monitoren. Polymer coatings de veelgebruikte oplossing gebaseerde coating-methoden, zoals het spin-coating en oppervlaktebehandeling enten, die zijn vaak niet uniform of gevoelig voor mechanische aantasting. Dit meldde damp fase afzetting methode die nadelen overwint en is een sterk alternatief voor gemeenschappelijke oplossingsgerichte coating methoden. Met name zijn polymeerlagen bekleed door de gerapporteerde methode uniforme en hoekgetrouwe op ruwe oppervlakken, zelfs op een schaal micrometer. Deze functie zorgt voor de toekomstige toepassing van damp gestort polymeren in elektronikaapparaten op flexibele en zeer gestructureerde ondergronden.
Inleiding
Polymere uitvoeren en halfgeleidende materialen hebben unieke eigenschappen, zoals flexibiliteit1, rekbaarheid2, transparantie3en lage dichtheid,4 die bieden buitengewone mogelijkheden voor het maken van volgende generatie elektronische apparaten op niet-traditionele substraten. Op dit moment zijn veel onderzoekers endeavoring te profiteren van de unieke eigenschappen van polymere materialen maken flexibele en/of draagbare elektronica5,6 en intelligent textiel7. Toch blijft de mogelijkheid hoekgetrouw jas zeer gestructureerde oppervlakken en niet-robuuste substraten, zoals papier, stoffen en garens/threads, unmastered. Meestal zijn polymeren gesynthetiseerd en gecoat op oppervlakken met behulp van oplossingsmethoden. 8 , 9 , 10 , 11 , 12 hoewel oplossingsmethoden polymeer gecoate vezels/textiel bieden, de aldus verkregen coatings zijn vaak niet-uniforme en gemakkelijk beschadigd door kleine fysieke benadrukt13,14 . Oplossingsmethoden gelden ook niet voor coating papier vanwege problemen bevochtiging.
Reactieve vapor deposition kunt hoekgetrouwe geconjugeerd polymeerlagen maken op een breed scala van substraten, ongeacht de oppervlakte chemie/samenstelling, de oppervlakte-energie en de oppervlakte ruwheid/topografie15. In deze benadering zijn geconjugeerd polymeren gesynthetiseerd in de damp fase door gelijktijdig monomeer en oxidator dampen te leveren aan een oppervlak. Polymerisatie en film vorming treedt op op het oppervlak in een enkele, oplosmiddelvrije stap. Deze methode is theoretisch toepasbaar op elke geconjugeerd polymeer dat kan gesynthetiseerd worden door oxidatieve polymerisatie met behulp van oplossingsmethoden. Echter tot op heden, zijn protocollen voor het storten van slechts een smalle set van geconjugeerd polymeer structuren bekend. 15
Hier tonen we de afzetting van geleidende poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) en poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT) en halfgeleidende poly (thieno [3,2 -b] thiofeen) (PTT) films via reactieve vapor deposition. Twee soorten oxidanten, solide FeCl3 en vloeibare Br2, worden gebruikt in het proces. De overeenkomstige polymeren heten Cl-PProDOT, Cl-PTT en Br-PEDOT. Zowel conventionele substraten, glas dia en onconventionele getextureerde substraten, zoals papier, handdoeken en stoffen, waren bedekt met de polymeerlagen.
Dit protocol beschrijft de installatie van de op maat gemaakte vapor deposition kamer en de details van de depositie-proces. Het is bedoeld om te helpen nieuwe beoefenaars aan hun afzetting systeem bouwen en gemeenschappelijke valkuilen damp-fase synthese gekoppeld te vermijden.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Protocol
Lees van MSDS voor reagentia en volg alle chemische veiligheidsmaatregelen zoals vereist door uw instelling.
1. de afzetting van Cl-PProDOT en Cl-PTT-
- Het bouwen van de structuur van de op maat gemaakte buisvormige damp afzetting kamer zoals afgebeeld in Figuur 1.
- Maak een 1/4-inch (buitendiameter, OD) gesmolten kwarts kant inlaat van een 2-inch (OD) gesmolten kwarts buis. Het maken van een koude val met een op maat gemaakte U-vorm 1-in. roestvrij stalen buis en een Dewar kolf.
- Sluit de quartz-buis met een vacuüm gauge en koude val met behulp van roestvrij staal KF connectoren en quick-connect koppelingen. Plaats het monomeer in een ampul kwarts en de ampul verbinden met de tubulaire kamer via 1/4-inch quick-connect koppelingen en een naaldventiel. Plaats de oxidant in een smeltkroes in de zaal.
- Gebruik aparte verwarming videobanden als verwarmings-bronnen voor de oxidant, substraten en het monomeer. Voeg een gas-inlaat aan de rechterkant van de kamer om extra edelgassen om te controleren de proces Druk indien nodig.
-
Afzetting van Cl-PProDOT
- Voeg 50 mg van 3,4-propylenedioxythiophene (ProDOT) in de ampul monomeer en sluit deze aan op de tubulaire kamer. Het naaldventiel open te houden.
- Zet substraten (glasplaatje, stoffen, papier, enz.) in de kamer. De grootte van de substraten is 1,3 x 2,5 cm.
- Voeg 50 mg FeCl3 in een smeltkroes van 5 mL en plaatst u deze in de kamer.
Opmerking: De relatieve posities van de inlaat monomeer, substraten en de kroes staan in Figuur 1. De afstand tussen de monomeer-inlaat en de Kroes is 13 cm. - Inschakelen van de pomp. Sluit de klep aan de juiste kant van de zaal langzaam. Na de kamer druk lager is dan 525 mTorr (70 Pa), vloeibare stikstof toevoegen in de koude val.
- Wikkel de drie verwarming zones met verwarming tape en sluit de verwarming tape aan de temperatuur-controllers.
- Wanneer de druk afneemt tot de verwerking druk (52.5 mTorr, 7 Pa), sluit het naaldventiel van de monomeer-container.
- Beginnen met het verwarmen van de oxidant, de substraten en het monomeer op 170 ° C, 80 ° C en 80 ° C, respectievelijk. Na ~ 10 min, FeCl3 is verdampt en de rode FeCl3 solide wordt gevormd in de koele regio.
- Open het naaldventiel van de monomeer-container.
Opmerking: Blauw gekleurde dunne lagen zal worden gevormd in de ondergrond-regio. Typische groeicijfers zijn ~ 10 nm/min. zorgen ervoor dat de FeCl3 damp wordt gevormd in de zaal alvorens het naaldventiel van het monomeer container te openen. Anders zal het monomeer reageren met FeCl3 solide in de Kroes en vormen een polymeer laag, waardoor de verdere verdamping van de oxidant. - Sluit het naaldventiel van het monomeer container wanneer de gewenste dikte is bereikt. Schakel alle rompslomp van de verwarming en het systeem tot kamertemperatuur afkoelen.
- Open de ingangsafsluiter gas en uitschakelen van de pomp.
- De monsters uit de zaal te nemen. Voorzichtig Dompel de monsters in methanol gedurende 30 minuten om de resterende oxidator en monomeer te verwijderen.
Opmerking: Spoelen tijd moet toenemen naarmate de verhoging van de dikte van de film. 30-min spoelen is typisch voor films dunner dan 100 nm op glas dia's. Films dikker dan 500 nm misschien delamineren van het substraat wanneer spoelen. - Zorgvuldig föhnen de monsters met stikstofgas.
-
Afzetting van de Cl-PTT
- Toevoegen van 50 mg thieno [3,2 -b] thiofeen (TT) in de ampul monomeer en sluit deze aan op de tubulaire kamer. Het naaldventiel open te houden.
- Herhaal stap 1.2.2. naar 1.2.12.
2. de afzetting van Br-PEDOT
-
Afzetting kamer Setup
- Toevoegen van een extra 1/4-inch kant inham voor oxidanten aan de quartz-buis en er 8 inch afgezien van de inlaat monomeer. De vloeibare oxidator plaats in een ampul kwarts en sluit de ampul aan de tubulaire kamer dezelfde manier als het monomeer (Figuur 2).
-
Afzetting van Br-PEDOT
- Voeg 2 mL 3,4-ethyleendioxythiofeen (EDOT) in het monomeer ampul en sluit de ampul aan de tubulaire kamer. Het naaldventiel open te houden.
- Plaats substraten (glasplaatje, stoffen, papier, enz.) in de tubulaire kamer in de buurt van de inlaat van de damp van de monomeer. De grootte van het substraat is 1,3 x 2,5 cm.
- In een zuurkast, voeg toe 2 mL Br2 in de ampul oxidant, sluit de ampul aan het naaldventiel en houden het naaldventiel gesloten. Het naaldventiel verbinden met de quartz-buis.
Let op: BR2 is een gevaarlijke stof. Wees voorzichtig bij het verwerken. - Inschakelen van de pomp. Sluit de klep aan de juiste kant van de zaal langzaam. Na de kamer druk lager is dan 525 mTorr (70 Pa), vloeibare stikstof toevoegen in de koude val.
- Wikkel de monomeer-regio met verwarming tape en verbinding te maken met een temperatuurregelaar. Het handhaven van het substraat en oxidator regio bij kamertemperatuur.
- Wanneer de druk afneemt om de druk van de verwerking van 52.5 mTorr (7 Pa), open het naaldventiel van de oxidant.
Opmerking: De reactie is zeer snel. Blauwe PEDOT films zal dicht bij de inlaat van de monomeer vormen omdat Br2 zeer volatiel is. - Sluiten de kleppen van de naald van zowel het monomeer en het oxiderend wanneer gewenste dikte wordt bereikt.
- Uitschakelen van de verwarming tape en het systeem tot kamertemperatuur afkoelen.
- Open de ingangsafsluiter gas en uitschakelen van de pomp. De monsters uit de zaal te nemen.
Opmerking: Spoelen is niet nodig voor Br2-doped polymeren.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Resultaten
De dikte van Cl-PProDOT films op 1,3 x 2,5 cm glas dia's geplaatst op discrete laterale posities langs de centrale buis gevormd werden gemeten door een profilometer (Figuur 3). Geleidbaarheid werden berekend op basis van de soortelijke weerstand metingen met behulp van een huis-gebouwde vier-punts sonde teststation. De gemeten geleidendheid van een 100-nm dik-Cl-PProDOT film op glas dia's is 106 S/cm, dat is voldoende om zich te kwalificeren voor deze film al...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Discussie
Het mechanisme van de reactie is oxidatieve polymerisatie. Polymeer coating methoden gebruiken hetzelfde mechanisme omvatten electropolymerization17 en damp fase polymerisatie18. Electropolymerization vereist een geleidende substraat, mist het voordeel van uniforme en hoekgetrouwe coating en is een milieu-onvriendelijke oplossingsgerichte methode19. De bestaande damp fase polymerisatie methode is vergelijkbaar met de methode hier gemeld, maar kan all...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Openbaarmakingen
De auteurs hebben niets te onthullen.
Dankbetuigingen
De auteurs mijn dankbaarheid uitspreken voor financiële steun van de ons Air Force Office voor wetenschappelijk onderzoek, onder overeenkomstnummer FA9550-14-1-0128. T. L. A. erkent ook dankbaar gedeeltelijke steun van de David en Lucille Packard Foundation.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Materialen
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| 3,4-Ethyleendioxythiofeen, 97% | Sigma Aldrich | 483028 | |
| 3,4-Propyleendioxythiofeen, 97% | Sigma Aldrich | 660485 | |
| Thieno[3,2-b]thiofeen, 95% | Sigma Aldrich | 702668 | |
| FeCl3, 97% | Sigma Aldrich | 157740 | |
| Br2 | Sigma Aldrich | 207888 |
Referenties
- Kaltenbrunner, M., et al. Ultrathin and lightweight organic solar cells with high flexibility. Nat. Commun. 3, 770(2012).
- Savagatrup, S., Printz, A. D., O'Connor, T. F., Zaretski, A. V., Lipomi, D. J. Molecularly Stretchable Electronics. Chem. Mater. 26, 3028-3041 (2014).
- Lee, J. -Y., Connor, S. T., Cui, Y., Peumans, P. Semitransparent Organic Photovoltaic Cells with Laminated Top Electrode. Nano Lett. 10, 1276-1279 (2010).
- Kaltenbrunner, M., et al. An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics. Nature. 499, 458-463 (2013).
- Jost, K., et al. Carbon coated textiles for flexible energy storage. Energy Environ. Sci. 4, 5060-5067 (2011).
- Hu, L., et al. Stretchable, Porous, and Conductive Energy Textiles. Nano Lett. 10, 708-714 (2010).
- Jost, K., Dion, G., Gogotsi, Y. Textile energy storage in perspective. J. Mater. Chem. A. 2, 10776-10787 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- Du, Y., et al. Thermoelectric Fabrics: Toward Power Generating Clothing. Sci. Rep. 5, 6411(2015).
- 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).
- 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).
- 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).
- Alf, M. E., et al. Chemical Vapor Deposition of Conformal, Functional, and Responsive Polymer Films. Adv. Mater. 22, 1993-2027 (2010).
- 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).
- Sadki, S., Schottland, P., Brodie, N., Sabouraud, G. The mechanisms of pyrrole electropolymerization. Chem. Soc. Rev. 29, 283-293 (2000).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Wang, M., et al. CVD Polymers for Devices and Device Fabrication. Adv. Mater. 29, 1604606(2017).
- 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).
- Barr, M. C., et al. Direct Monolithic Integration of Organic Photovoltaic Circuits on Unmodified Paper. Adv. Mater. 23, 3500-3505 (2011).
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Herprints en machtigingen
