🎌 👨 🦈 विद्युत प्रवाहकीय बहुलक: वैज्ञानिकों ने धातु से प्लास्टिक कैसे बनाया 🤚🏼 🥒 🧖🏼

हर साल, अधिक से अधिक गैजेट्स नई प्रतिभाओं को प्राप्त करते हैं, जिसमें इंटरनेट के माध्यम से एक-दूसरे से जुड़ने की क्षमता भी शामिल है। "इंटरनेट ऑफ थिंग्स" की अवधारणा, जो सदी के मोड़ पर उत्पन्न हुई, एक स्पष्ट रूपरेखा पर ले जाती है, हालांकि, इस विचार के पूर्ण उपयोग के लिए, अतिरिक्त तकनीकी नवाचारों की आवश्यकता होती है जो पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के चार्ज सहित कई समस्याओं को हल कर सकते हैं। सबसे लोकप्रिय और भविष्य के समाधानों में से एक मानव शरीर की गर्मी का उपयोग करना है। और इसके लिए हमें प्रकाश, गैर विषैले, पहनने योग्य और लचीले थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की आवश्यकता होती है। नागोया विश्वविद्यालय (नागोया, जापान) के वैज्ञानिकों ने प्लास्टिक के उपयोग का प्रस्ताव दिया है। प्लास्टिक की विद्युत चालकता इसकी संरचना से कैसे संबंधित है, इस पैरामीटर में हेरफेर कैसे करें,और थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर बनाने में प्लास्टिक का उपयोग कितना प्रभावी है? वैज्ञानिकों की रिपोर्ट में इन सवालों के जवाब का इंतजार है। जाओ।

अध्ययन का आधार

मानव शरीर को शायद ही बड़ी मात्रा में गर्मी का स्रोत कहा जा सकता है। हालांकि, पहनने योग्य इलेक्ट्रॉनिक्स के पहलू में, हमारे शरीर की गर्मी का उपयोग हमारे गैजेट्स के संचालन का समर्थन करने के लिए किया जा सकता है। हालाँकि, आधुनिक विद्युत प्रवाहकीय पॉलिमर अभी तक उनकी थर्मोइलेक्ट्रिक विशेषताओं का दावा नहीं कर सकते हैं। इसे बदलने के लिए, आपको सामग्री की संरचना के अंदर देखने और यह समझने की आवश्यकता है कि वहां सब कुछ कैसे व्यवस्थित किया जाता है।

ताप विद्युत उपकरणों में महत्वपूर्ण निष्पादन मानकों में से एक शक्ति कारक है: पी = एस ² σ, जहां एस है Seebeck गुणांक * , और σ विद्युत चालकता है।

* ( ) — , .

— , .

यदि यह मान लिया जाए कि पाली (३,४-एथिलीनऑक्साइथियोफेन) को छोड़कर अधिकांश प्रवाहकीय पॉलिमर, वाहक की डोपिंग पर पी मैक्सिमा नहीं दिखाते हैं । इसका मतलब यह है कि उच्च डोपिंग स्तर के लिए पी σ लगातार बढ़ रहा है। इस गैर-मानक व्यवहार के लिए तर्क शक्ति संबंध है * S σ ^{− /1 / s} , जहां s 3 या 4 है (ज्यादातर मामलों में)।

पावर लॉ * - आंकड़ों में, यह दो मात्राओं के बीच एक कार्यात्मक संबंध है, जब एक में परिवर्तन दूसरी मात्रा में आनुपातिक परिवर्तन की ओर जाता है।

एक समान प्रभाव बहुलक फिल्मों के विकार के कारण होता है, जहां फिल्म प्रभाव चार्ज हस्तांतरण के भीतर संरचनात्मक / ऊर्जा गड़बड़ी होती है।

हाल के अध्ययनों से पता चला है कि चार्ज ट्रांसफर प्रक्रिया पर यादृच्छिकता के प्रभाव को नियंत्रित करना आनुभविक एस - ir अनुपात को संशोधित करके पी पर नियंत्रण प्राप्त करने में एक आवश्यक तंत्र है । इस काम में, वैज्ञानिक बताते हैं कि एक प्रवाहकीय बहुलक के अनुभवजन्य S-a अनुपात को वाहक के नियंत्रित डोपिंग द्वारा वास्तव में बदला जा सकता है।

प्रयोगों के नायक PBTTT बहुलक, या अधिक बड़े पैमाने पर, पाली [2,5-बीआईएस (3-अल्काइल्थोफेन -2-yl) थिएनो (3,2-बी) थियोफीन] था। इस विशेष बहुलक की पसंद आकस्मिक नहीं है, क्योंकि यह अर्ध-क्रिस्टलीय पॉलिमर के बीच उच्चतम चालकता (एस / सेमी, यानी सीमेंस सेंटीमीटर) को प्रदर्शित करता है, जो 4-एथिलबेनेसेल्फोनिक एसिड (ड ₂ एच ₅ सी ₆ एच ₄ एसओ ₃ एच) के साथ डोपिंग द्वारा प्राप्त किया जाता है। ।

एक ठोस राज्य गेट आइसोलेटर का उपयोग करते हुए पारंपरिक ट्रांजिस्टर के विपरीत, यह तकनीक आपको विद्युत रासायनिक प्रक्रिया के माध्यम से प्रवाहकीय पॉलिमर के डोपिंग स्तर को बहुत अधिक सांद्रता पर लगातार निगरानी करने की अनुमति देती है। इस प्रकार, इलेक्ट्रोलाइटिक नियंत्रित पीबीटीटी धातु विज्ञान राज्य सहित पीबीटीटीटी के थर्मोइलेक्ट्रिक गुणों पर पूर्ण विचार करने की अनुमति देता है।

शोध का परिणाम

सबसे पहले, वैज्ञानिकों ने एक इलेक्ट्रोलाइटिक गेट के साथ डोप की गई पतली पीबीटीटीटी फिल्मों के थर्मोइलेक्ट्रिक गुणों का अध्ययन किया।

छवि नंबर 1

छवि 1 ए प्रयोगात्मक सेटअप का एक आरेख दिखाता है, जो वाहक को डोप होने पर एस और σ को एक साथ मापने की अनुमति देता है। चित्रा 1 बी एक पीबीटीटी बहुलक के पतले-फिल्म ट्रांजिस्टर ( पतली-फिल्म ट्रांजिस्टर से टीएफटी ) की संरचना का एक स्नैपशॉट दिखाता है । चार्ज वाहक की एकाग्रता को विद्युत रासायनिक डोपिंग की पूरी प्रक्रिया में एक गेट वोल्टेज ( वी _जी ) को लागू करके लगातार निगरानी की जा सकती है , जहां डोपेंट आयन थोक फिल्म में प्रवेश करते हैं। determined आवेदन द्वारा प्राप्त वर्तमान-वोल्टेज विशेषताओं द्वारा निर्धारित किया जाता हैवी _जी ( 1 सी )। एस thermoelectromotive बल (Δ की ढलान से निर्धारित होता है वी ) तापमान अंतर (Δ के आधार पर टी ) इलेक्ट्रोड (के बीच एस = Δ वी / Δ टी ) प्रत्येक के लिए वी _जी ( 1 डी )।

चित्रा 1E की निर्भरता से पता चलता σ पर एस (ऊपर) और σ पर पी (नीचे), कमरे के तापमान पर दो स्वतंत्र उपकरणों के लिए प्राप्त की। चार्ज कैरियर्स के लगातार डोपिंग के कारण, दोनों उपकरणों से प्राप्त डेटा में एक छोटा सा बिखर गया था। और संबंध एस का मनाया रूप- σ अगर प्रतिवर्ती है वी _जी डिवाइस की गिरावट की दहलीज से अधिक नहीं है।

पहली बात जो देखी गई, वह यह है कि P, 100 S / cm के ऊपर एक स्पष्ट अधिकतम दिखाता है। निम्नलिखित दो मामलों में अधिकतम P की उपस्थिति अपेक्षित है। पहले मामले में, इन साधारण nondegenerate अर्धचालकों, कहाँ हो एस - σ संबंध है लघुगणक संबंध द्वारा वर्णित एस α ln σ। हालाँकि, यॉन्कर वक्र का मनाया ढलान (चालकता के लघुगणक पर सीबेक गुणांक की निर्भरता) लगभग 10 और 100 एस / सेमी के क्रमिक परिवर्तनों को दर्शाता है। और इससे पता चलता है कि एक पारंपरिक थर्मल सक्रिय प्रक्रिया प्राप्त प्रयोगात्मक डेटा की व्याख्या नहीं कर सकती है।

दूसरे मामले में, यह ध्यान दिया गया था कि यदि वाहक की डोपिंग पर अध: पतन से अध: पतन के लिए इलेक्ट्रॉनिक राज्य में परिवर्तन होता है, तो अधिकतम पी सबसे अधिक बार देखा जाता है। इस मामले में, एस - σ (या पी - σ ) अनुपात की अधिकतम मूल्य देने के डोपिंग स्तर पर दो क्षेत्रों में विभाजित किया जा सकता है पी है, जो डाल दिया गया सामग्री के इलेक्ट्रॉनिक गुण में एक मूलभूत परिवर्तन को दर्शाता है।

एस - σ अनुपात ( 1E ) इस प्रकार अनुभवजन्य एस अल्फा σ ^-1/4 (या पी अल्फा σ ^-1/2 ) कम चालकता क्षेत्र में ( σ <100 एस / सेमी), लेकिन σ में वृद्धि के साथ एस - σ अनुपात इस से दूर ले जाता है मूल्यों के करीब पहुंच एस अल्फा σ ^-1 (बिंदीदार रेखा पर 1E )।

चूंकि विद्युत रासायनिक डोपिंग प्रक्रिया में फिल्म में डोपेंट आयनों का प्रवेश होता है, इसलिए डोपिंग प्रक्रिया के दौरान आणविक व्यवस्था के संरचनात्मक संशोधन की संभावना की जांच करना भी आवश्यक है, जो थर्मोइलेक्ट्रिक गुणों को प्रभावित कर सकता है। ऐसा करने के लिए, वैज्ञानिकों ने एक डोप किए गए बहुलक पर एक्स-रे विवर्तन (GIXD) पर प्रयोग किए, जिसके परिणाम नीचे दी गई छवि में दिखाए गए हैं।

छवि नंबर 2

एक अछूती फिल्म ( वी _{जी) में}= 0 V), स्पष्ट बिखरे हुए चोटियों को (h00) प्लेन के बाहर, चौथे क्रम तक प्लेट संरचना के अनुरूप देखा गया, और 0-, पैकिंग के अनुरूप (010) प्लेन में एक चोटी भी है, जो पीबीटीटीटी पतली फिल्म के अत्यधिक क्रिस्टलीय प्रकृति को दर्शाता है। फिल्म की सतह के परमाणु बल माइक्रोस्कोपी (एएफएम) ने भी उच्च क्रिस्टलीयता की पुष्टि की। जब वाहक को डोप किया जाता है, तो पीक प्रोफाइल 2 बी और 2 डी पर स्पष्ट बदलाव (चोटी (100), 2 सी और 2 ई पर पीक (010)) दिखाते हैं । चोटी के

बिखरे हुए वेक्टर q _z (100) को लगातार निचले मानों में स्थानांतरित किया जाता है, जबकि | वी _जी | V में 23.3 the से प्लेटों के बीच की दूरी के विस्तार के कारण बढ़ जाती है_g = 0 V से 29.4 _{g तक}V _g = V1.6 V ( 2D )। यह विस्तार फिल्म में bis (trifluoromethanesulfonyl) imide (TFSI) आयनों के इंटरक्लेरेशन * के कारण होता है

इंटरक्लेरेशन * - अणुओं, आयनों या परमाणुओं के बीच किसी अन्य प्रकार के परमाणुओं के समूहों (परतों) के प्रतिवर्ती समावेशन।

हालांकि, पिछले अध्ययनों की तुलना में, इस मामले में जाली कदम में वृद्धि बहुत बड़ी (~ 6) है, जो TFSI आयनों (~ 8.0) की लंबाई के करीब है। इस परिणाम से तात्पर्य यह है कि अल्फाइल साइड चेन ( 2 एफ ) के साथ एंड-टू-एंड कॉन्फ़िगरेशन बनाने के लिए टीएफएसआई अणु इंटरलामेलर स्थिति (फिल्मों के बीच ) में स्थित हैं।

यहां तक कि इतने बड़े जाली विस्तार के साथ, विवर्तन चोटियों की रेखाओं का कोई विस्तार नहीं देखा गया था, अर्थात्। प्लेट संरचना की क्रिस्टलीयता अनियोनिक अंतर्संबंध के कारण नहीं बिगड़ती है।

इसके अलावा, आयनिक अंतर्संबंध उलटा होता है, जैसा कि इस तथ्य से स्पष्ट है कि झंझरी के बीच की दूरी मूल मूल्य के करीब बहाल हो जाती है जब डोपिंग के बाद एक सकारात्मक वोल्टेज लागू होता है।

डोपिंग के दौरान उच्च मूल्यों की ओर (010) शिखर के बिखरने वाले वेक्टर क्यू _xy की एक स्पष्ट पारी भी थी , जो indicates-π स्टैकिंग दूरी ( 2C और 2E ) में कमी को इंगित करता है ।

कुल मिलाकर, उपरोक्त प्रयोगों के डेटा से स्पष्ट है कि प्रणाली डोपिंग पर संरचनात्मक गिरावट का प्रदर्शन नहीं करती है।

अगला, ईपीआर (इलेक्ट्रॉन पैरामैग्नेटिक रेजोनेंस) स्पेक्ट्रोस्कोपी किया गया।

छवि संख्या 3

3 ए पर , आयन-तरल शटर के साथ एक टीएफटी (पतली-फिल्म ट्रांजिस्टर) सर्किट दिखाया गया है, जो वी _जी का उपयोग करते समय ईपीआर और चालकता के एक साथ माप की अनुमति देता है । 3 सी

को जोड़ना

नकारात्मक वी _जी का उपयोग करने के मामले में, पीबीटीटीटी ( 3 बी ) श्रृंखला में सकारात्मक वाहक (ध्रुवीय) का एक स्पष्ट ईपीआर संकेत देखा जाता है । यदि कोई अतिरिक्त बाहरी चुंबकीय क्षेत्र ( H ) का उपयोग किया जाता है, जो सब्सट्रेट के लंबवत _{होता है} , तो V _G मान की परवाह किए बिना, लगभग 2.003 के जी मूल्य के साथ एक संकेत देखा जाता है। यह परिणाम इंगित करता है कि वाहक किनारे- क्षेत्र (यानी, किनारे) अभिविन्यास ( 3 सी ) के साथ क्षेत्र में हैं , जो जीआईसीडी के परिणामों के अनुरूप है, जो डोपेड फिल्म में क्रिस्टलीय फ्रैक्चर की अनुपस्थिति को दर्शाता है। ईपीआर सिग्नल की अभिन्न तीव्रता से, डोपिंग फिल्म की स्पिन संवेदनशीलता (χ) को निर्धारित करना भी संभव था। 3 डी पर

EPR माप के साथ एक साथ प्राप्त σ बनाम σ का ग्राफ दिखाता है । कम चालकता के क्षेत्र में वृद्धि के साथ, में σ , χ में तेजी से वृद्धि मनाया गया।

हल्के से डोप किए गए क्षेत्रों में जहां ध्रुवों को चुंबकीय रूप से अलग किया जाता है, स्पिन संवेदनशीलता को क्यूरी नियम का पालन करता है: µ

= Ng ² Ng _B² S (S + 1) / 3k _B T , जहां N कुल स्पिन की संख्या है।

इस मामले में, स्पिन संवेदनशीलता वाहक एकाग्रता के लिए आनुपातिक है एन , इसलिए संबंध अल्फा χ σ निरंतर गतिशीलता के एक राज्य में होना चाहिए। यह अनुपात वास्तव में बहुत कम चालकता के क्षेत्र में मनाया जाता हैindicates <0.01 एस / सेमी ( 3 डी ), जो प्रभारी हस्तांतरण में पृथक ध्रुवों के प्रभुत्व को इंगित करता है।

यदि the का मान 1 एस / सेमी से अधिक है, तो इस क्षेत्र में स्पिनों की एक पूरी तरह से अलग गतिशीलता का संकेत देते हुए लाइनों ( 3 ई ) का एक स्पष्ट चौड़ीकरण देखा गया था । ऐसी स्थिति में, वाहक का निरूपण देखा गया। यह है कि ऊर्जा विकार के साथ क्रिस्टलीय डोमेन हस्तांतरण की प्रक्रिया में हावी नहीं है इंगित करता है σ ऊपर 1 एस / सेमी।

जब डोपिंग के बाद delocalized वाहक एक पतित (या धातु) राज्य बनाते हैं, तो क्यूरी कानून *अब संतुष्ट नहीं है, और पॉलि की स्पिन संवेदनशीलता तब होती है जब, फर्मी ऊर्जा स्तर पर राज्यों के घनत्व के लिए आनुपातिक होती है, और वाहक एकाग्रता एन के लिए नहीं ।

क्यूरी कानून * - तापमान में परिवर्तन और एक निरंतर बाहरी क्षेत्र के साथ, पैरामैग्नेट्स के चुंबकीयकरण की डिग्री तापमान के विपरीत आनुपातिक है।

/ में वृद्धि की लगभग पूरी संतृप्ति 1 एस / सेमी से ऊपर sat में वृद्धि के मामले में भी देखी गई थी , जिसमें वाहक विचलन के कारण लाइन चौड़ीकरण शामिल है। यह एज ओरिएंटेशन वाले डोमेन में एक पतित (या धातु) इलेक्ट्रॉनिक राज्य के गठन की पुष्टि करता है।

के मामले में σ ~ 100 एस / सेमी EPR संकेत नहीं विषमता और अनुपात से पता चला नहीं एस - σ से प्रदर्शन किया विचलन एस - σ -1/4 ( 1E )। इससे पता चलता है कि डोमेन में सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक अवस्था में थर्मोइलेक्ट्रिक गुण स्वतंत्र रूप से बदलते हैं।

छवि संख्या 4

चित्रा 4 एशो के तापमान पर निर्भरता σ के विभिन्न मूल्यों पर प्राप्त वी _जी । कमरे के तापमान (पर σ _आरटी ) और वृद्धि | वी _जी | चालकता में वृद्धि देखी गई। पर्याप्त उच्च मूल्य के साथ | वी _जी | नकारात्मक तापमान के एक क्षेत्र ( dσ / dT <0) प्रकट होता है , एक धातु राज्य का संकेत है।

200 K से नीचे के तापमान पर भी धात्विक अवस्था देखी गई वी _जी | > 1.7 वी, जो इलेक्ट्रोलाइट के ठंड तापमान से कम है। V _जी पर मैग्नेटोरेसिस्टेंस को मापकर इन अवलोकनों की पुष्टि की गई= -2.2 वी और 150 के ( 4 बी )।

छवि संख्या 5

अपने काम के समापन में, शोधकर्ताओं ने चार्ज ट्रांसफर और थर्मोइलेक्ट्रिक गुणों के बीच संबंध का विश्लेषण किया। चित्र 5 ए में दिखाया गया है कि कमरे के तापमान पर एस - os अनुपात इस अध्ययन में और अन्य अध्ययनों में अन्य डोपिंग विधियों का उपयोग करके प्राप्त किया गया है।

वैज्ञानिकों का कहना है कि चालकता जिस पर एस - i अनुपात एक अनुभवजन्य मूल्य से विचलित होता है, चालकता के साथ काफी अच्छी तरह से सहमत होता है जिस पर धातुओं में चार्ज ट्रांसफर मनाया जाता है, अर्थात्। σ _{आर टी} ~ 100 एस / सेमी।

यह पुष्टि करता है कि अनुपातएस अल्फा σ ^-1 उच्च चालकता क्षेत्र में मनाया वास्तव में मॉट समीकरण का पालन करता है, प्रणाली के धातु प्रकृति को दर्शाती है। इसके विपरीत, σ के क्षेत्र में एक nonmetallic तापमान पर निर्भरता दर्शाती है σ _{आर टी} <100 एस / सेमी, हालांकि क्रिस्टलीय डोमेन सूक्ष्म इलेक्ट्रॉनिक राज्य 1 ऊपर एस / सेमी धातु है। यह परिणाम इंगित करता है कि मैक्रोस्कोपिक चार्ज ट्रांसफर प्रक्रिया मुख्य रूप से संरचनात्मक विविधता द्वारा सीमित है, जैसे कि डोमेन दीवारें, और क्रिस्टलीय के अंदर चार्ज कैप्चर द्वारा नहीं।

शोधकर्ताओं ने याद किया कि पॉलीक्रिस्टलाइन पॉलिमर फिल्मों में मैक्रोस्कोपिक चार्ज ट्रांसफर प्रक्रिया को क्रिस्टलीय डोमेन ( 1B) के बीच अणुओं को बांधकर बनाया जाता है।) इस मामले में, बाध्यकारी अणुओं की स्थानीय संरचना चार्ज ट्रांसफर प्रक्रिया को महत्वपूर्ण रूप से प्रभावित करती है।

इस मामले में, डोमेन संयोजन डोपिंग स्थितियों के लिए पर्याप्त रूप से संवेदनशील होना चाहिए, संभवतः पृथक डोपेंट-प्रेरित बाध्यकारी अणुओं के संरचनात्मक / ऊर्जा विकार के कारण। दूसरे शब्दों में, इलेक्ट्रोलाइट्स के गेटिंग के लिए मौजूदा तकनीक का उपयोग करते हुए मध्यम डोपिंग यह क्रिस्टलीय डोमेन को कुशलतापूर्वक कनेक्ट करने के लिए संभव बनाता है, जो एक मैक्रोस्कोपिक धातु संक्रमण की ओर जाता है जो एक पीबीटीटीटी पतली फिल्म में अधिकतम शक्ति कारक देता है।

अध्ययन की बारीकियों के साथ एक अधिक विस्तृत परिचित के लिए, मैं अनुशंसा करता हूं कि आप वैज्ञानिकों की रिपोर्ट और इसके लिए अतिरिक्त सामग्रियों पर ध्यान दें।

उपसंहार

एक विद्युत प्रवाहकीय बहुलक कुछ नया नहीं है, हालांकि, इस काम में, वैज्ञानिक इसे सुधारने में सक्षम थे, जिससे इसकी थर्मोइलेक्ट्रिक विशेषताओं में वृद्धि हुई। लब्बोलुआब यह है कि बहुलक के अंदर पतली फिल्मों में क्रिस्टलीय और गैर-क्रिस्टलीय भागों होते हैं, जो पॉलिमर के गुणों का अध्ययन करने की प्रक्रिया को बहुत जटिल करते हैं, अकेले उन्हें हेरफेर करते हैं।

हालांकि, इस अध्ययन में, पीबीटीटीटी बहुलक का उपयोग किया गया था, जिसमें चालकता बढ़ाने के लिए आयनिक इलेक्ट्रोलाइट जेल की एक पतली परत जोड़ी गई थी। इन दो तत्वों को सफलतापूर्वक कनेक्ट करने के लिए, एक निश्चित वोल्टेज को लागू करना आवश्यक था, जिसने हमें परिणामी प्रणाली के संरचनात्मक गुणों का मूल्यांकन करने की भी अनुमति दी।

इसके प्रवाहकीय संकेतकों में परिणामस्वरूप बहुलक प्लास्टिक की तुलना में धातु की तरह अधिक था। हालांकि, यह केवल कुछ शर्तों (वोल्टेज और तापमान) के तहत प्राप्त करने योग्य था। भविष्य में, वैज्ञानिक अपने काम को जारी रखने का इरादा रखते हैं, सिस्टम के गठन के लिए संभवतः कार्यप्रणाली में बदलाव करके पॉलिमर को बदलने के लिए कार्यप्रणाली में सुधार करने पर ध्यान केंद्रित करते हैं (मिश्र धातु के विकल्प की खोज)।

आपका ध्यान के लिए धन्यवाद, जिज्ञासु बने रहें और एक अच्छा काम करने का सप्ताह है, दोस्तों। :)

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