Get best of the week

بوليمر موصل كهربائيًا: كيف صنع العلماء البلاستيك من المعدن



في كل عام ، تكتسب المزيد والمزيد من الأدوات مواهب جديدة ، بما في ذلك القدرة على التواصل مع بعضها البعض عبر الإنترنت. يأخذ مفهوم "إنترنت الأشياء" ، الذي نشأ في مطلع القرن ، مخططًا أوضح ، ومع ذلك ، من أجل الاستفادة الكاملة من هذه الفكرة ، هناك حاجة إلى ابتكارات تقنية إضافية يمكن أن تحل عددًا من المشاكل ، بما في ذلك شحن الإلكترونيات القابلة للارتداء. واحدة من الحلول الأكثر شعبية والمستقبلية هي استخدام حرارة جسم الإنسان. ولهذا نحتاج إلى مولدات كهروحرارية خفيفة وغير سامة ويمكن ارتداؤها ومرنة. اقترح علماء من جامعة ناغويا (ناغويا ، اليابان) استخدام البلاستيك. كيف ترتبط الموصلية الكهربائية للبلاستيك ببنيته ، وكيفية التعامل مع هذه المعلمة ،وما مدى فعالية استخدام البلاستيك في إنشاء مولدات كهروحرارية؟ الإجابات على هذه الأسئلة تنتظرنا في تقرير العلماء. اذهب.

أساس الدراسة


بالكاد يمكن وصف جسم الإنسان بأنه مصدر لكمية كبيرة من الحرارة. ومع ذلك ، في مجال الإلكترونيات القابلة للارتداء ، يمكن استخدام حرارة أجسامنا لدعم تشغيل أدواتنا. ومع ذلك ، فإن البوليمرات الحديثة الموصلة للكهرباء لا يمكنها حتى الآن التباهي بخصائصها الكهروحرارية. لتغيير هذا ، تحتاج إلى النظر داخل هيكل المادة وفهم كيفية ترتيب كل شيء هناك.

أحد عوامل الأداء الرئيسية في الأجهزة الكهروحرارية هو عامل الطاقة: P = S 2 σ ، حيث S هو معامل Seebeck * ، و σ هي الموصلية الكهربائية.
* ( ) — , .

— , .
إذا افترضنا أن معظم البوليمرات الموصلة ، باستثناء البولي (3،4-إيثيلين ديوكسي ثيوفين) ، لا تظهر P maxima عند تناول المنشطات. وهذا يعني أن P يزداد باستمرار مع زيادة σ لمستويات المنشطات الأعلى. الأساس المنطقي لهذا السلوك غير القياسي هو علاقة القوة * S ∝ σ −1 / s ، حيث s هي 3 أو 4 (في معظم الحالات).

قانون القوة * - في الإحصاء ، هذه علاقة وظيفية بين كميتين ، عندما يؤدي التغيير في أحدهما إلى تغيير نسبي في الكمية الثانية.
يحدث تأثير مماثل بسبب اضطراب أفلام البوليمر ، حيث تؤثر الاضطرابات الهيكلية / الطاقة داخل الفيلم على نقل الشحنات.

وقد أظهرت الدراسات الحديثة أن التحكم في آثار العشوائية على عملية نقل الشحنة آلية أساسية لتحقيق السيطرة على P عن طريق تعديل نسبة S - ir التجريبية .

في هذا العمل ، يُظهر العلماء أن النسبة التجريبية لـ S-ymer للبوليمر الموصل يمكن تغييرها بالفعل عن طريق المنشطات التي تسيطر عليها الحاملة.

كان بطل التجارب هو بوليمر PBTTT ، أو على نطاق أوسع ، بولي [2،5-bis (3-alkylthiophen-2-yl) thieno (3،2-b) thiophene]. اختيار هذا البوليمر الخاص ليس عرضيًا ، لأنه يظهر أعلى موصلية (S / سم ، أي سيمنس لكل سنتيمتر) بين البوليمرات شبه البلورية ، والذي يتم تحقيقه عن طريق المنشطات مع حمض إيثيل بنزين سلفونيك 4 (C 2 H 5 C 6 H 4 SO 3 H) .

على عكس الترانزستورات التقليدية التي تستخدم عازل بوابة الحالة الصلبة ، تتيح لك هذه التقنية المراقبة المستمرة لمستوى المنشطات من البوليمرات الموصلة إلى تركيزات عالية جدًا من خلال عملية كهروكيميائية. وبالتالي ، تسمح مركبات PBTTT التي يتم التحكم فيها كهربائياً للمرء أن ينظر بشكل كامل في الخصائص الحرارية الكهربائية لـ PBTTTs ، بما في ذلك الحالة المعدنية.

نتائج البحث


بادئ ذي بدء ، درس العلماء الخصائص الحرارية الكهربائية لأغشية PBTTT الرقيقة المغطاة ببوابة إلكتروليتية.


الصورة رقم 1 تظهر

الصورة 1 أ رسمًا تخطيطيًا للإعداد التجريبي ، والذي يسمح للمرء بقياس S و simult في وقت واحد عندما يكون المنشط مخدرًا. يوضح الشكل 1 ب لقطة من بنية ترانزستور الأغشية الرقيقة (TFT من ترانزستور الأغشية الرقيقة ) من بوليمر PBTTT. يمكن مراقبة تركيز ناقلات الشحن بشكل مستمر من خلال تطبيق جهد البوابة ( V g ) طوال عملية المنشطات الكهروكيميائية بأكملها ، حيث تخترق أيونات المنشطات الفيلم السائب. σ يتحدد بواسطة خصائص الجهد الحالي التي تم الحصول عليها عن طريق التطبيقV ز ( 1C ). يتم تحديد S من منحدر قوة المحرك الحراري (∆ V ) اعتمادًا على فرق درجة الحرارة (∆ T ) بين الأقطاب الكهربائية ( S = ∆ V / ∆ T ) لكل V g ( 1D ). يوضح

الشكل 1E اعتماد σ على S (أعلاه) و σ على P (أدناه) ، التي تم الحصول عليها لجهازين مستقلين في درجة حرارة الغرفة. بسبب المنشطات المستمرة لشركات الشحن ، كانت البيانات التي تم الحصول عليها من كلا الجهازين مبعثرة صغيرة إلى حد ما. والشكل المرصود للعلاقة S- ible قابل للعكس إذا لم تتجاوز V g عتبة انحطاط الجهاز.

أول شيء تم ملاحظته هو أن P يظهر حدًا واضحًا أعلى من 100 S / cm. من المتوقع ظهور الحد الأقصى من P في الحالتين التاليتين. في الحالة الأولى ، هذه هي أشباه الموصلات العادية غير المولدة ، حيث يتم وصف علاقة S - by بالعلاقة اللوغاريتمية S ∝ ln σ. ومع ذلك ، فإن المنحدر المرصود لمنحنى يونكر (اعتماد معامل سيبيك على لوغاريتم الموصلية) يوضح تغيرات تدريجية تبلغ حوالي 10 و 100 S / سم. وهذا يشير إلى أن العملية التقليدية التي يتم تنشيطها حراريًا لا يمكنها تفسير البيانات التجريبية التي تم الحصول عليها.

في الحالة الثانية ، لوحظ أنه في كثير من الأحيان لوحظ الحد الأقصى P إذا تغيرت الحالة الإلكترونية من غير المتحللة إلى المتدهورة عند تناول المنشطات. في هذه الحالة ، يمكن تقسيم نسبة S - σ (أو P - σ ) إلى منطقتين على مستوى المنشطات مما يعطي القيمة القصوى لـ P ، مما يعكس تغيرًا جوهريًا في الخصائص الإلكترونية للمواد المشابة.

و S - سيجما نسبة ( 1E ) يتبع التجريبية S ألفا σ -1/4 (أو P ألفا σ -1/2 ) في المنطقة الموصلية المنخفضة ( σ <100 S / سم)، ولكن مع زيادة σ من S - سيجما نسبة يتحرك بعيدا عن هذا القيم التي تقترب من S ∝ σ -1 (خط منقط على 1E ).

بما أن عملية المنشطات الكهروكيميائية تنطوي على اختراق أيونات dopant في الفيلم ، فمن الضروري أيضًا التحقق من إمكانية التعديل الهيكلي للترتيب الجزيئي أثناء عملية المنشطات ، والتي يمكن أن تؤثر على الخصائص الكهروحرارية. للقيام بذلك ، أجرى العلماء تجارب على حيود الأشعة السينية (GIXD) على بوليمر مخدر ، وتظهر نتائجها في الصورة أدناه.


صورة رقم 2

في فيلم لم يمس ( V g= 0 فولت) ، لوحظت قمم تشتت مميزة خارج المستوى (h00) ، المقابلة لهيكل صفيحي حتى المرتبة الرابعة ، وأيضًا ذروة في المستوى (010) ، تتوافق مع مكدس π-، ، مما يشير إلى الطبيعة البلورية للغاية للفيلم الرقيق PBTTT. كما أكد الفحص المجهري للقوة الذرية (AFM) لسطح الفيلم تبلورًا عاليًا. عندما يكون المنشط مخدرًا ، تظهر ملامح الذروة تغييرات واضحة (الذروة (100) عند 2B و 2 D ؛ الذروة (010) عند 2C و 2E ).

يتجه ناقل الانتثار q z للذروة (100) باستمرار إلى قيم أقل ، بينما | V g | يزيد بسبب توسيع المسافة بين اللوحات من 23.3 Å عند Vجم = 0 فولت إلى 29.4 Å عند V g = −1.6 فولت ( ثنائي الأبعاد ). يحدث هذا التوسع بسبب تداخل * إيونات ثنائي إيثيل (ثلاثي فلورو الميثان سلفونيل) (TFSI) في الفيلم
الإقحام * هو دمج قابل للعكس للجزيئات أو الأيونات أو الذرات بين الجزيئات أو مجموعات (طبقات) من ذرات من نوع آخر.
ومع ذلك ، بالمقارنة مع الدراسات السابقة ، فإن الزيادة في خطوة الشبكة في هذه الحالة أكبر بكثير (~ 6) ، وهي قريبة من طول أنيون TFSI (~ 8.0). تشير هذه النتيجة إلى أن جزيئات TFSI تقع في الوضع بين الخلايا (بين الأفلام) لتشكيل تكوين من طرف إلى طرف مع سلاسل الألكيل الجانبية ( 2F ).

حتى مع هذا التوسع الكبير في الشبكة ، لم يلاحظ أي توسع في خطوط قمم الانعراج ، أي لا تتدهور تبلور البنية الصفائحية بسبب تقارب أنيوني.

بالإضافة إلى ذلك ، يحدث التقارب الأيوني بشكل عكسي ، كما يتضح من حقيقة أن المسافة بين الشبكات يتم استعادتها بالقرب من القيمة الأصلية عند تطبيق جهد إيجابي بعد المنشطات.

كان هناك أيضًا تحول واضح في متجه الانتثار q xy لقمة (010) نحو القيم الأعلى أثناء المنشطات ، مما يشير إلى انخفاض في مسافة التراص π-(( 2C و 2E ).

في المجموع ، تشير بيانات التجارب أعلاه بوضوح إلى أن النظام لا يظهر تدهورًا هيكليًا عند تناول المنشطات.

بعد ذلك ، تم إجراء التحليل الطيفي EPR (الرنين الإلكتروني المغنطيسي).


صورة №3

في 3A تُظهر رسم تخطيطي لسائل TFT (ترانزستور بغشاء رفيع) مع بوابة أيونية تسمح بقياس متزامن لـ ESR والتوصيل عند تطبيق V g .


إضافة إلى 3C

في حالة استخدام سلبية V ز ، وهي إشارة واضحة EPR ناقلات الإيجابية (polarons) لوحظ في (PBTTT 3B ) سلسلة . تتم ملاحظة إشارة بقيمة g تبلغ حوالي 2.003 ، بغض النظر عن قيمة V g ، إذا تم استخدام مجال مغناطيسي خارجي إضافي ( H ) ، والذي يكون عموديًا على الركيزة. تشير هذه النتيجة إلى أن شركات الطيران هي في المنطقة مع الحافة على (أي الحافة) توجه ( 3C )، وهو ما يتسق مع نتائج GIXD تبين عدم وجود كسر البلورية في الفيلم مخدر.

من الشدة المتكاملة لإشارة EPR ، كان من الممكن أيضًا تحديد قابلية الدوران (χ) للفيلم المنشوق. على 3Dيُظهر رسم بياني لـ χ مقابل σ تم الحصول عليه في نفس الوقت مع قياسات EPR. لوحظت زيادة حادة في χ في منطقة الموصلية المنخفضة مع زيادة σ .

في المناطق ذات المنشطات الخفيفة حيث يتم عزل القطبين مغناطيسيًا ، تتبع قابلية الدوران لقانون Curie:

χ = Ng 2 µ B 2 S (S + 1) / 3k B T ، حيث N هو العدد الإجمالي للدورات.

في هذه الحالة ، تكون قابلية الدوران متناسبة مع تركيز الناقل n ؛ وبالتالي ، يجب أن تكون العلاقة χ ∝ σ في حالة تنقل مستمر. لوحظت هذه النسبة بالفعل في منطقة الموصلية المنخفضة للغايةσ <0.01 S / cm ( 3D ) ، مما يشير إلى هيمنة القطبين المعزولين في نقل الشحنة.

إذا تجاوزت قيمة 1 1 S / سم ، فقد لوحظ توسيع واضح للخطوط ( 3E ) ، مما يشير إلى ديناميات مختلفة تمامًا للدوران في هذه المنطقة. في مثل هذه الحالة ، لوحظ إخلاء الناقل. هذا يدل على أن اضطراب الطاقة لا تهيمن في عملية نقل في المجال البلوري مع σ أعلى من 1 S / سم.

عندما تكون ناقلات غير محددة بعد تناول المنشطات حالة متدهورة (أو معدنية) ، فإن قانون كوري *لم تعد راضية ، وتأخذ قابلية الدوران عند Pauli مكانها عندما تكون χ متناسبة مع كثافة الحالات على مستوى طاقة Fermi ، وليس مع تركيز الناقل n .
قانون كوري * - تتناسب درجة مغناطيسية المعلمات المغناطيسية عكسًا مع درجة الحرارة في حالة حدوث تغير في درجة الحرارة وفي مجال خارجي ثابت.
كما لوحظ تشبع شبه كامل للزيادة في χ في حالة زيادة σ أعلى من 1 S / سم ، والتي تشمل توسيع الخط بسبب إزالة الناقل. هذا يؤكد تشكيل حالة إلكترونية متدهورة (أو معدنية) في المجالات ذات اتجاه الحافة.

في حالة σ ~ 100 S / سم EPR إشارات لا تظهر أي شذوذ ونسبة S - σ أظهرت الانحراف من S - σ -1/4 ( 1E ). هذا يشير إلى أن الخصائص الحرارية الكهربائية تتغير بشكل مستقل عن الحالة الإلكترونية المجهرية في المجالات.


الصورة رقم 4

الشكل 4Aيظهر اعتماد درجة الحرارة على σ التي تم الحصول عليها بقيم مختلفة من V g . في درجة حرارة الغرفة ( σ RT ) وزيادة | V g | لوحظت زيادة في الموصلية. بقيمة عالية بما فيه الكفاية | V g | تظهر منطقة درجات الحرارة السلبية ( dσ / dT <0) ، مما يشير إلى حالة معدنية.

وقد لوحظت حالة المعدن حتى في درجات حرارة أقل من 200 كلفن و | V g | > 1.7 فولت ، وهو أقل من درجة حرارة التجمد للكهارل. تم تأكيد هذه الملاحظات أيضًا عن طريق قياس المقاومة المغناطيسية عند V g= -2.2 فولت و 150 كلفن ( 4 ب ).


الصورة رقم 5

في ختام عملهم ، حلل الباحثون العلاقة بين نقل الشحنة والخصائص الحرارية الكهربائية. الشكل 5A يظهر S - سيجما النسب التي تم الحصول عليها في درجة حرارة الغرفة على حد سواء في هذه الدراسة ودراسات أخرى باستخدام أساليب المنشطات الأخرى.

ويشير العلماء إلى أن الموصلية التي و S - سيجما نسبة ينحرف من قيمة التجريبية يوافق تماما مع الموصلية التي لوحظ نقل المسؤول في المعادن، أي σ RT ~ 100 S / سم.

هذا يؤكد أن النسبةS ∝ σ -1 التي لوحظت في المنطقة عالية التوصيل تتبع بالفعل معادلة موت ، مما يعكس الطبيعة المعدنية للنظام. في المقابل ، σ يظهر اعتمادًا على درجة الحرارة غير المعدنية في منطقة σ RT <100 S / cm ، على الرغم من أن الحالة الإلكترونية المجهرية في المجال البلوري معدنية فوق 1 S / cm. تشير هذه النتيجة إلى أن عملية نقل الشحنة الماكروسكوبية محدودة بشكل أساسي بسبب عدم التجانس الهيكلي ، مثل جدران المجال ، وليس عن طريق التقاط الشحنة داخل البلورات.

يتذكر الباحثون أن عملية نقل الشحنة الماكروسكوبية في أغشية البوليمر متعددة الكريستالات تم نمذجتها بواسطة جزيئات ملزمة بين المجالات البلورية ( 5B) في هذه الحالة ، تؤثر البنية المحلية لجزيئات الربط بشكل كبير على عملية نقل الشحنة.

في هذه الحالة ، يجب أن تكون تركيبة المجال حساسة بما فيه الكفاية لظروف المنشطات ، ربما بسبب الاضطراب الهيكلي / الطاقة لجزيئات الربط المعززة التي يسببها المنشطات. وبعبارة أخرى ، فإن المنشطات المعتدلة باستخدام التقنية الحالية لبوابات الإلكتروليتات تجعل من الممكن ربط المجالات البلورية بكفاءة ، مما يؤدي إلى انتقال المعادن الماكروسكوبي مما يعطي عامل الطاقة الأقصى في طبقة رقيقة PBTTT.

لمعرفة أكثر تفصيلا مع الفروق الدقيقة في الدراسة، أوصي بأن تنظر في تقرير العلماء و مواد إضافية لذلك.

الخاتمة


إن البوليمر الموصل للكهرباء ليس شيئًا جديدًا ، ومع ذلك ، في هذا العمل ، تمكن العلماء من تحسينه ، وبالتالي زيادة خصائصه الحرارية الكهربائية. خلاصة القول هي أن الأغشية الرقيقة داخل البوليمر تتكون من أجزاء بلورية وأخرى غير بلورية ، مما يعقد بشكل كبير عملية دراسة خصائص البوليمرات ، ناهيك عن معالجتها.

ومع ذلك ، في هذه الدراسة ، تم استخدام بوليمر PBTTT ، حيث تمت إضافة طبقة رقيقة من هلام الإلكتروليت الأيوني لزيادة الموصلية. من أجل التوصيل الناجح لهذين العنصرين ، كان من الضروري تطبيق جهد معين ، مما جعل من الممكن أيضًا تقييم الخصائص الهيكلية للنظام الناتج.

كان البوليمر الناتج في مؤشراته الموصلية أشبه بالمعدن أكثر من البلاستيك. ومع ذلك ، كان هذا يمكن تحقيقه فقط في ظل ظروف معينة (الجهد ودرجة الحرارة). في المستقبل ، ينوي العلماء مواصلة عملهم ، مع التركيز على تحسين منهجية تحويل البوليمرات من خلال تغيير منهجية تكوين النظام (البحث عن بديل للخلط).

شكرا لكم على اهتمامكم ، ابقوا فضوليين وأتمنى لكم أسبوع عمل جيد يا رفاق. :)

القليل من الدعاية :)


أشكركم على البقاء معنا. هل تحب مقالاتنا؟ هل تريد رؤية مواد أكثر إثارة للاهتمام؟ ادعمنا عن طريق تقديم طلب أو التوصية لأصدقائك VPS القائم على السحابة للمطورين من $ 4.99 ، وهو نظير فريد من نوعه لخوادم مستوى الدخول التي اخترعناها لك: الحقيقة الكاملة عن VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 نوى) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps من $ 19 أو كيفية تقسيم الخادم؟ (تتوفر الخيارات مع RAID1 و RAID10 ، حتى 24 مركزًا و 40 جيجابايت DDR4).

Dell R730xd أرخص مرتين في مركز بيانات Equinix Tier IV في أمستردام؟ فقط لدينا 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV من 199 دولارًا في هولندا!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2 جيجا هرتز 6C 128 جيجا بايت DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - من 99 دولار! اقرأ عن كيفية بناء مبنى البنية التحتية الفئة c باستخدام خوادم Dell R730xd E5-2650 v4 بتكلفة 9000 يورو مقابل سنت واحد؟

More articles:


All Articles