Reaktiven Aufdampfen von konjugierten Polymerfilmen auf beliebigen Substraten

Chemistry

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Summary

Dieser Beitrag stellt ein Protokoll für die reaktiven Aufdampfen von poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene) und Poly (Thieno [3,2 -b] Thiophen) Filme auf Objektträger und rauen Substraten, wie Textilien und Papier.

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Cheng, N., Andrew, T. L. Reactive Vapor Deposition of Conjugated Polymer Films on Arbitrary Substrates. J. Vis. Exp. (131), e56775, doi:10.3791/56775 (2018).

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Abstract

Wir zeigen eine Methode conformally konjugierte Polymere auf beliebigen Substraten mit einer maßgeschneiderten, Niederdruck Reaktionskammer zu beschichten. Leitfähige Polymere, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) und poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT), und eine halbleitende Polymere, Poly (Thieno [3,2 -b] Thiophen) (PTT), auf unkonventionelle abgelagert wurden, sehr ungeordnet und texturierten Substraten mit hohen Flächen wie Papier, Handtücher und Gewebe. Dies berichtet Ablagerung Kammer ist eine Verbesserung der bisherigen Dampf-Reaktoren, weil unser System flüchtigen und nichtflüchtigen Monomere wie 3,4-Propylenedioxythiophene und Thieno aufnehmen kann [3,2 -b] Thiophen. Verwertung von festen und flüssigen Oxidantien sind auch gezeigt. Eine Einschränkung dieser Methode ist, dass es anspruchsvoll in Situ Dicke Monitore fehlt. Polymerbeschichtungen gemacht durch die häufig verwendete lösungsorientierter Beschichtungsverfahren, wie Spin-Coating und Oberflächen zu veredeln, sind oft nicht einheitlich oder anfällig für mechanische Abbau. Dies berichtet Vapor Phase Abscheidungsverfahren überwindet diese Nachteile und ist eine starke Alternative zu gemeinsamen Lösung basierende Beschichtungsverfahren. Insbesondere sind Polymerfolien beschichtet durch die gemeldeten Methode einheitlich und winkeltreue auf rauen Oberflächen, auch bei einer Mikrometer Skala. Mit dieser Funktion können für zukünftige Anwendung von Dampf hinterlegt Polymeren in Geräten der Unterhaltungselektronik auf flexibel und stark strukturierte Untergründe.

Introduction

Durchführung von Polymeren und halbleitenden Materialien haben einzigartige Eigenschaften, wie Flexibilität1, Dehnbarkeit2, Transparenz3und niedriger Dichte,4 die außergewöhnliche Möglichkeiten für die Erstellung von bieten nächsten Generation elektronischen Geräten auf untraditionelle Substrate. Derzeit sind viele Forscher bestrebt, die einzigartigen Eigenschaften von Polymeren Materialien flexibel erstellen und/oder wearable-Electronics-5,-6 und smarte Textilien7nutzen. Die Fähigkeit zur conformally stark strukturierte Oberflächen und nicht robust Substraten, wie Papier, Stoffen und Fäden/Garne, Beschichtung bleibt jedoch. Am häufigsten sind Polymere synthetisiert und auf Flächen mit Lösungsverfahren beschichtet. 8 , 9 , 10 , 11 , 12 obwohl Lösungsverfahren Polymer beschichtet Fasern/Textilien bieten, sind die so erhaltenen Beschichtungen oft nicht gleichmäßig und leicht beschädigt durch kleinen körperlichen Belastungen13,14 . Lösungsverfahren gelten auch nicht für Papierbeschichtung wegen Benetzung Probleme.

Reaktiven Aufdampfen kann auf den unterschiedlichsten Substraten, unabhängig von Chemie die Zusammensetzung Oberfläche, Oberflächenenergie und Rauheit/Oberflächentopographie15winkeltreue konjugierte Polymerfilme erstellen. Bei diesem Ansatz sind konjugierte Polymere in der Dampfphase synthetisiert, indem gleichzeitig Monomer und Oxidationsmittel Dämpfe an eine Oberfläche liefert. Polymerisation und Film Bildung erfolgt auf der Oberfläche in einem einzigen, lösemittelfreie Schritt. Diese Methode gilt theoretisch für alle konjugierten Polymer, das durch oxidative Polymerisierung mit Lösungsmethoden synthetisiert werden kann. Bislang sind jedoch Protokolle für die Hinterlegung nur einer schmale Reihe von konjugierten Polymer Strukturen bekannt. 15

Hier zeigen wir die Ablagerung von leitfähigen poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) und poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT) und halbleitenden Poly (Thieno [3,2 -b] Thiophen) (PTT) Filme über reaktiven Aufdampfen. Dabei sind zwei Arten von Oxidantien, solide FeCl3 und flüssigen Br2, genutzt. Die entsprechenden Polymere sind Cl-PProDOT, Cl-PTT und Br-PEDOT benannt. Sowohl konventionelle Substrate, Glas-Objektträger und unkonventionelle texturierten Substraten, wie Papier, Handtücher und Stoffe wurden mit Polymerfolien beschichtet.

Dieses Protokoll beschreibt die Einrichtung der Custom-Built Vapor Deposition Kammer und die Einzelheiten der Abscheidung. Es soll helfen, neue Praktiker ihre Ablagerung Buildsystem und vermeiden häufige Probleme mit Dampfphase Synthese verbunden.

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Protocol

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(1) Ablagerung von Cl-PProDOT und Cl-PTT

  1. Bauen Sie die Struktur der Custom-Built röhrenförmigen Dampf Deposition Kammer wie in Abbildung 1dargestellt.
    1. Machen Sie eine 1/4-Zoll (Außendurchmesser, O.D) verschmolzen Quarz Seiteneinlauf zu einem 2-Zoll (O.D) Quarzglas Schlauch. Machen Sie eine Kühlfalle mit einem speziell angefertigten U-Form 1-Zoll Edelstahl-Rohr und einem Dewar-Kolben.
    2. Schließen Sie das Quarzrohr mit Vakuummeter und Kühlfalle mit Edelstahl-KF Steckern und Quick-connect-Kupplungen. Das Monomer einen Quarz-Ampulle und anschließen die Ampulle der röhrenförmigen Kammer über 1/4-Zoll schnell-Anschluß-Kupplungen und ein Nadelventil. Legen Sie das Oxidationsmittel in einem Tiegel in der Kammer.
    3. Verwenden Sie separate Heizbänder als Wärmequellen für das Oxidationsmittel, Substrate und das Monomer. Fügen Sie ein Gaszutritt am rechten Ende der Kammer, weitere Edelgase zur Steuerung der Prozessdruck bei Bedarf einzuführen.
  2. Ablagerung von Cl-PProDOT
    1. Fügen Sie 50 mg von 3,4-Propylenedioxythiophene (ProDOT) in der Monomer-Ampulle und verbinden Sie es mit der röhrenförmigen Kammer. Halten Sie das Nadel-Ventil offen.
    2. Setzen Sie Substrate (Objektträger, Stoffe, Papier, etc.) in der Kammer. Die Größe der Substrate ist 1,3 cm x 2,5 cm.
    3. Fügen Sie 50 mg von FeCl3 in einem 5-mL-Tiegel und legen Sie sie in die Kammer.
      Hinweis: Die relativen Positionen der Monomer-Einlass, Substrate und der Tiegel sind in Abbildung 1dargestellt. Der Abstand zwischen dem Monomer Zulauf und der Tiegel beträgt 13 cm.
    4. Schalten Sie die Pumpe. Schließen Sie das Ventil am rechten Ende der Kammer langsam. Nach der Kammer Druck liegt unter 525 mTorr (70 Pa), flüssigen Stickstoff in die Kühlfalle hinzufügen.
    5. Wickeln Sie die drei Heizzonen mit Heizleitung und verbinden Sie das Heizband mit dem Temperaturregler.
    6. Wenn der Druck sinkt auf der Verarbeitung Druck (52,5 mTorr, 7 Pa), schließen Sie das Nadel-Ventil des Behälters Monomer.
    7. Beginnen Sie das Oxidationsmittel, Substrate und das Monomer bei 170 ° C, 80 ° C und 80 ° C, bzw. Heizung. Nach ~ 10 min FeCl3 verdampft und die rote FeCl3 Feste in der kühlen Region gebildet wird.
    8. Öffnen Sie das Nadelventil des Behälters Monomer.
      Hinweis: Blau gefärbten dünne Folien werden im Bereich Substrat gebildet. Typische Wachstumsraten sind ~ 10 nm/min. sorgen dafür, dass die FeCl3 Dampf in die Kammer gebildet wird, vor dem Öffnen des Nadelventils des Behälters Monomer. Andernfalls wird das Monomer reagieren mit FeCl3 Feste in den Tiegel und bilden eine Polymerschicht verhindert die weitere Verdampfung des Oxidationsmittels.
    9. Schließen Sie das Nadelventil des Behälters Monomer, wenn die gewünschte Dicke erreicht ist. Schalten Sie alle Heizband und lassen Sie das System auf Raumtemperatur abkühlen.
    10. Öffnen Sie das Gas-Einlassventil und schalten Sie die Pumpe.
    11. Nehmen Sie die Proben aus der Kammer. Tauchen Sie vorsichtig die Proben in Methanol für 30 min die restlichen Oxidationsmittel und Monomer entfernen.
      Hinweis: Die Spülzeit sollte als Film Dicke erhöht erhöhen. 30-min Spülen ist typisch für Filme, die dünner als 100 nm auf Objektträgern. Filme dicker als 500 nm kann Delaminieren vom Substrat beim Spülen.
    12. Vorsichtig Föhnen die Proben mit Stickstoffgas.
  3. Ablagerung von Cl-PTT
    1. Fügen Sie 50 mg von Thieno [3,2 -b] Thiophen (TT) in der Monomer-Ampulle und verbinden Sie es mit der röhrenförmigen Kammer. Halten Sie das Nadel-Ventil offen.
    2. Wiederholen Sie die Schritte 1.2.2. zu 1.2.12.

2. Ablagerung von Br-PEDOT

  1. Ablagerung Kammer Setup
    1. Das Quarzrohr einen zusätzlichen 1/4-Zoll-Seite Einlass für Oxidantien hinzu und machen Sie es 8 Zoll neben dem Monomer-Einlass. Das flüssige Oxidationsmittel ein Quarz-Ampulle und schließen Sie die Ampulle der röhrenförmigen Kammer genauso wie das Monomer (Abbildung 2 an).
  2. Ablagerung von Br-PEDOT
    1. Fügen Sie 2 mL von 3,4-Ethylenedioxythiophene (EDOT) in das Monomer-Ampulle und verbinden Sie die Ampulle mit der röhrenförmigen Kammer. Halten Sie das Nadel-Ventil offen.
    2. Legen Sie Substrate (Objektträger, Stoffe, Papier, etc.) in die röhrenförmigen Kammer in der Nähe der Monomer-Dampf-Einlass. Die Größe des Substrats ist 1,3 cm x 2,5 cm.
    3. In einer Dampfhaube Oxidationsmittel Ampulle 2 mL Br2 Add-in, verbinden Sie die Ampulle mit dem Nadelventil und das Nadelventil geschlossen zu halten. Schließen Sie das Nadelventil an das Quarzrohr.
      Vorsicht: BR2 ist ein Gefahrgut. Vorsicht beim Umgang mit.
    4. Schalten Sie die Pumpe. Schließen Sie das Ventil am rechten Ende der Kammer langsam. Nach der Kammer Druck liegt unter 525 mTorr (70 Pa), flüssigen Stickstoff in die Kühlfalle hinzufügen.
    5. Wickeln Sie die Monomer-Region mit Heizleitung und verbinden Sie es mit einem Temperaturregler. Halten Sie die Substrat und Oxidationsmittel Region bei Raumtemperatur.
    6. Wenn der Druck verringert die Verarbeitung Druck von 52,5 mTorr (7 Pa), öffnen Sie das Nadelventil des Oxidationsmittels.
      Hinweis: Die Reaktion ist sehr schnell. Blaue PEDOT Filme werden in der Nähe der Monomer-Einlass bilden, denn Br2 sehr volatil.
    7. Schließen Sie den Nadelventilen das Monomer und das Oxidationsmittel, wenn gewünschte Dicke erreicht ist.
    8. Schalten Sie das Heizband und lassen Sie das System auf Raumtemperatur abkühlen.
    9. Öffnen Sie das Gas-Einlassventil und schalten Sie die Pumpe. Nehmen Sie die Proben aus der Kammer.
      Hinweis: Spülen ist nicht erforderlich für Br2-dotierten Polymere.

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Representative Results

Die Dicke der Cl-PProDOT Filme auf 1,3 x 2,5 cm Glas-Objektträger auf diskrete seitlichen Positionen entlang dem Zentralrohr gesetzt gebildet wurden durch ein Profilometer (Abbildung 3) gemessen. Leitfähigkeiten wurden von Widerstandsmessungen Messungen mit einer selbstgebauten Vierpunkt-Sonde-Teststation berechnet. Die gemessene Leitfähigkeit eines 100 nm dicken Cl-PProDOT Films auf Objektträgern ist 106 S/cm, die ausreicht, um diesen Film als eine mögliche Elektrodenmaterial zu qualifizieren. Abbildung 4 ist das AFM-Bild von 100 nm PProDOT Film auf einen Objektträger. Röntgen-Photoelektronen-Spektroskopie (XPS) Spektren von Cl-PProDOT Filme auf Objektträgern vor und nach dem Spülen wurden gesammelt, um zu beweisen, dass alle verbleibenden FeCl3 entfernt wurde und beweisen, dass die Leitfähigkeit ergibt sich ausschließlich aus Polymer (Abbildung 5).

Die UV/Vis-Absorptionsspektren von Cl-PProDOT, Cl-PTT und Br-PEDOT sind in Abbildung 6dargestellt. Polymere, die unmittelbar nach der Ablagerung isoliert sind p-dotierten wegen der Anwesenheit von überschüssigem Oxidationsmittel. Dementsprechend sind diese Filme durch Polaronic und Bipolaronic Absorptionsbanden im Großraum rot/NIR blau. Die breiten, strukturlose Absorptionsbanden über 600 nm, das Merkmal der Bipolaron und Polaron Polaronen, in die Cl-PProDOT und Br-PEDOT Filme vor und nach dem Spülen, was darauf hindeutet, dass Cl-PProDOT und Br-PEDOT pbleiben unverändert-dotierten nach dem Spülen. Im Gegensatz dazu zeigt Cl-PTT ohne Polaron oder Bipolaron Spitzen nach dem Spülen, darauf hinweist, dass Cl-PTT komplett de-dotierten während der Spülvorgang.

Optische Mikrographen und Scan Rasterelektronenmikroskopie (SEM) Bilder von Papier, Cord Stoff und einem Baumwolltuch vor und nach der Beschichtung mit Cl-PTT sind in Abbildung 7dargestellt. Nach der Beschichtung werden die unberührten weißen Substrate dunkelrot, auf das Vorhandensein von Cl-PTT-Beschichtungen. Alle drei Substrate sind hoch strukturierte und ungeordneten und große Oberfläche haben. Die REM-Bilder zeigen, dass die Filme einheitlich und sich auf der Oberfläche mit einem Mikrometer-Maßstab auf allen drei Substraten konform sind.

Figure 1
Abbildung 1: Ablagerung Kammer Setup. Schaltplan der Vapor Deposition Kammer für solide Oxidantien. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 2
Abbildung 2: Ablagerung Kammer Setup. Schematische Darstellung der röhrenförmigen Dampf Deposition Kammer für flüssige Oxidantien. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 3
Abbildung 3. Dicke Charakterisierung von Polymerfolien. Seitliche Polymer Film Dickenprofil für die Dampf-Polymerisation von Cl-PProDOT.

Figure 4
Abbildung 4. Charakterisierung der Morphologie mit AFM. AFM-Bild von 100 nm Cl-PProDOT auf einen Objektträger.

Figure 5
Abbildung 5. Elementaranalyse. XPS-Spektren einer 1,3 x 2,5 cm-Glas-Folie, beschichtet mit einem 100 nm dicken Film von Cl-PProDOT unmittelbar nach der Ablagerung (schwarze Linie) und nach dem Spülen (rote Linie) mit Methanol. Die Spektren zeigen, dass Eisensalze nach dem Spülen entfernt werden.

Figure 6
Abbildung 6. Optische Eigenschaft Charakterisierung. Absorptionsspektren von Cl-PProDOT, Cl-PTT und Br-PEDOT Filmen auf Objektträgern. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

Figure 7
Abbildung 7. Charakterisierung der Morphologie mit Lichtmikroskop und Rasterelektronenmikroskopie (SEM). Optische Mikrographen unberührten (a-c) und PTT beschichtet (d-f) Papier, Polyester/Viskose Cord und Baumwolle Handtuch. REM-Bilder (g-i) der PTT beschichtete Papier, Polyester/Viskose Cord und Baumwolle Handtuch. Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.

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Discussion

Der Mechanismus der Reaktion ist oxidative Polymerisation. Polymer-Beschichtung-Methoden mit dem gleichen Mechanismus gehören Electropolymerization17 und Dampf Phase Polymerisation18. Electropolymerization erfordert eine leitfähige Substrat, den Vorteil des einheitlichen und konforme Beschichtung fehlt, und ist eine umweltschädliche lösungsorientierte Methode19. Die bestehenden Dampf Phase Polymerisation Methode ist ähnlich der Methode hier berichtet aber kann nur sehr flüchtige Monomere20polymerisieren. Unsere Methode verbesserte das Kammer-Design der bestehenden Methode und kann nicht nur sehr flüchtige Monomere, sondern auch nicht-flüchtige Monomere polymerisieren. Eine Reihe von neuen dirigieren und halbleitende Polymere, wie PProDOT und PTT, synthetisiert durch Dampfphase Ablagerung zum ersten Mal mit der Methode hier20berichtet.

Ein wichtiger Schritt in dem Protokoll ist der Zeitpunkt der Einführung des Monomer-Dampfes (Schritt 1.2.8.). Im Protokoll sollte Monomer Dampf in die Kammer eingeführt werden, nachdem FeCl3 Dampf gebildet wird, die durch die Bildung von roten Feststoff in der kühlen Region erzählt werden kann. Wenn der Monomer-Dampf eingeführt wird, bevor es zu FeCl3 Dampf wird der Monomer Dampf Oxidationsmittel Tiegel zu erreichen und direkt mit dem soliden Oxidationsmittel reagieren. Dies wird bilden eine Polymerschicht auf das solide Oxidationsmittel und Verdampfung verhindert. Auf der anderen Seite, wenn der Monomer-Dampf zu spät eingeführt wird, eine dicke Schicht von Oxidationsmittel wird gebildet und die Morphologie von Polymerfolien sind davon betroffen.

Die Reaktionszeit kann die Dicke der Polymerfolien gesteuert werden. Die Abscheidungsrate des hier vorgestellten Polymerfolien ist ~ 10 nm/min und durch die Strömungsgeschwindigkeit des Monomeren gesteuert werden. In diesem Protokoll wird die Durchflussmenge des Monomeren durch Anpassung der Monomer-Temperatur und das Nadelventil gesteuert. Wenn eine genauere Kontrolle erforderlich ist, kann ein Hochtemperatur-mass-Flow-Meter zwischen dem Monomer-Ampulle und dem Monomer Einlass hinzugefügt werden.

Wir präsentieren nur drei Beispiele von Polymeren in diesem Protokoll. Für die Beschichtung von anderen Polymeren, die Reaktionsbedingungen optimiert werden müssen. Die Temperatur des Oxidationsmittels kann das gleiche wie das Protokoll gehalten werden, wenn das gleiche Oxidationsmittel verwendet wird. Es wurde berichtet, dass der Prozessdruck Kettenlängen der Polymere betrifft. Niedrige Prozessdrücke führen in einer kurzen Konjugation21. Die Temperatur des Oxidationsmittels sollte für jede neue Monomer als auch optimiert werden. Ein typischer Wert ist das Oxidationsmittel Schmelzpunkt. Optimale Substrattemperatur erhöht in der Regel als Monomer Temperaturerhöhungen. Für Polymerfolien dünner als 500 nm, Spülen mit reichlich Methanol reicht für eine vollständige Entfernung aller verbleibenden Oxidationsmittel und Monomer. Für dickeren Schichten um verbleibende FeCl3, vollständig zu entfernen können die Filme über Nacht in einer 1 M HCl-Wasser-Lösung eingetaucht und anschließend mit Methanol gespült.

Ein Nachteil der gemeldeten Ablagerung Kammer ist, dass es einen in Situ QCM (Quarz Kristall Mikrowaage) Sensor fehlt und daher die Abschmelzleistungen und Schichtdicke können nicht während der Abscheidung überwacht werden. Schichtdicke ist nicht einheitlich in der gesamten Substrat-Region durch die laterale Richtung Massenverkehrsmittel. Die seitlichen Polymer Film Dickenprofil für die Dampf-Polymerisation von Cl-PProDOT ist in Abbildung 3dargestellt. Die Polymerfolie, gebildet in der Mitte zwischen dem Monomer und Oxidationsmittel Quelle ist die dickste und die Dicke sinkt schrittweise aus der Mitte zu den beiden seitlichen Richtungen. Dies bestätigt lateralen Richtung Massenverkehrsmittel aus den zwei Dampf-Quellen in der Mitte der Substrat-Region und zeigt, dass dicke Reaktionszeit, sondern auch durch Substrat Position gesteuert werden kann.

Da diese Methode leitende und halbleitende Polymeren auf beliebigen Substraten einzahlen kann, kann es in der nächsten Generation Elektronik auf unkonventionelle Substrate wie tragbare Geräte22,23angewendet werden. Zum Beispiel leitfähige PEDOT oder PProDOT auf Textilien in großem Maßstab zu leitfähige Textilien beschichtet werden kann und in wearable-Electronics24einsetzbar. Auch können aufgedampfte konjugierte Polymere auch verwendet werden als Elektroden oder aktiven Schichten in der Elektronik auf dem Papier, geringes Gewicht zu erreichen und low-cost während lösungsorientierte Beschichtungsverfahren für Papier Substrate25nicht gelten.

Abschließend zeigen wir einen reaktiven Dampf Abscheidungsverfahren mit dem leitenden PProDOT und PEDOT und halbleitenden PTT Filme auf Glas-Folien, Papier und Textilien erstellt werden soll. Weder dieser Polymere wurden durch reaktiven Aufdampfen vor synthetisiert. Dieser Dampf-Abscheidungsverfahren beschichten Polymerfolien einheitlich und conformally sehr ungeordneter und strukturierte, droben Oberfläche Bereiche Substrate. Mit dieser Funktion können für zukünftige Anwendung von Dampf hinterlegt Polymeren in Geräten der Unterhaltungselektronik auf flexibel und stark strukturierte Untergründe.

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Disclosures

Die Autoren haben nichts preisgeben.

Acknowledgments

Die Autoren erkennen dankbar finanziellen Unterstützung durch die uns Air Force Office of Scientific Research, unter Vertragsnummer FA9550-14-1-0128. T. L. A. erkennt auch dankbar teilweise Unterstützung von David und Lucille Packard Foundation.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
3,4-Ethylenedioxythiophene, 97% Sigma Aldrich 483028
3,4-Propylenedioxythiophene, 97% Sigma Aldrich 660485
Thieno[3,2-b]thiophene, 95% Sigma Aldrich 702668
FeCl3, 97% Sigma Aldrich 157740
Br2 Sigma Aldrich 207888

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