Get best of the week

Polimer konduktif listrik: bagaimana para ilmuwan membuat plastik dari logam



Setiap tahun, semakin banyak gadget memperoleh bakat baru, termasuk kemampuan untuk terhubung satu sama lain melalui Internet. Konsep "Internet of things", yang muncul pada pergantian abad, mengambil garis besar yang lebih jelas, namun, untuk pemanfaatan penuh gagasan ini, diperlukan inovasi teknis tambahan yang dapat menyelesaikan sejumlah masalah, termasuk pengisian elektronik yang dapat dipakai. Salah satu solusi paling populer dan futuristik adalah menggunakan panas tubuh manusia. Dan untuk ini, generator termoelektrik yang ringan, tidak beracun, dapat dipakai, dan fleksibel diperlukan. Para ilmuwan dari Universitas Nagoya (Nagoya, Jepang) telah mengusulkan penggunaan plastik. Bagaimana konduktivitas listrik plastik terkait dengan strukturnya, bagaimana memanipulasi parameter ini,dan seberapa efektif penggunaan plastik dalam membuat generator termoelektrik? Jawaban atas pertanyaan-pertanyaan ini menunggu kita dalam laporan para ilmuwan. Pergilah.

Dasar studi


Tubuh manusia hampir tidak dapat disebut sebagai sumber panas dalam jumlah besar. Namun, dalam aspek elektronik yang dapat dipakai, panas tubuh kita dapat digunakan untuk mendukung operasi gadget kita. Namun, polimer konduktif listrik modern belum dapat membanggakan karakteristik termoelektriknya. Untuk mengubah ini, Anda perlu melihat ke dalam struktur materi dan memahami bagaimana semuanya diatur di sana.

Salah satu parameter kinerja utama dalam perangkat termoelektrik adalah faktor daya: P = S 2 σ, di mana S adalah koefisien Seebeck * , dan σ adalah konduktivitas listrik.
* ( ) — , .

— , .
Jika diasumsikan bahwa sebagian besar polimer konduktif, kecuali poli (3,4-ethylenedioxythiophene), jangan menunjukkan P maxima pada doping pembawa. Ini berarti bahwa P terus meningkat dengan meningkatnya σ untuk tingkat doping yang lebih tinggi. Alasan untuk perilaku non-standar ini adalah hubungan kekuatan * S ∝ σ −1 / s , di mana s adalah 3 atau 4 (dalam kebanyakan kasus).

Hukum Kekuasaan * - dalam statistik, ini adalah hubungan fungsional antara dua kuantitas, ketika perubahan dalam satu menyebabkan perubahan proporsional dalam kuantitas kedua.
Efek serupa terjadi karena gangguan film polimer, di mana gangguan struktural / energi dalam film mempengaruhi transfer muatan.

Studi terbaru menunjukkan bahwa mengendalikan efek keacakan pada proses transfer muatan adalah mekanisme penting dalam mencapai kontrol atas P dengan memodifikasi rasio S - σ empiris .

Dalam karya ini, para ilmuwan menunjukkan bahwa rasio S-σ empiris dari polimer konduktif memang dapat diubah dengan mengendalikan doping pembawa.

Protagonis percobaan adalah polimer PBTTT, atau lebih luas, poli [2,5-bis (3-alkylthiophen-2-yl) thieno (3,2-b) thiophene]. Pilihan polimer khusus ini tidak disengaja, karena menunjukkan konduktivitas tertinggi (S / cm, mis. Siemens per sentimeter) di antara polimer semi-kristal, yang dicapai dengan doping dengan asam 4-etilbenzenasulfonat (C 2 H 5 C 6 H 4 SO 3 H) .

Tidak seperti transistor konvensional yang menggunakan isolator gerbang keadaan padat, teknik ini memungkinkan Anda untuk terus memantau tingkat doping polimer konduktif hingga konsentrasi yang sangat tinggi melalui proses elektrokimia. Dengan demikian, PBTTT yang dikontrol secara elektrolitik memungkinkan seseorang untuk sepenuhnya mempertimbangkan sifat termoelektrik dari PBTTT, termasuk keadaan logam.

Hasil penelitian


Pertama-tama, para ilmuwan mempelajari sifat termoelektrik film PBTTT tipis yang didoping dengan gerbang elektrolitik.


Gambar No. 1

Gambar 1A menunjukkan diagram pengaturan eksperimental, yang memungkinkan seseorang untuk secara bersamaan mengukur S dan σ ketika pembawa didoping. Gambar 1B menunjukkan cuplikan struktur transistor film tipis (TFT dari transistor film tipis ) dari polimer PBTTT. Konsentrasi pembawa muatan dapat terus dipantau dengan menerapkan tegangan gerbang ( V g ) sepanjang seluruh proses doping elektrokimia, di mana ion dopan menembus film massal. σ ditentukan oleh karakteristik tegangan arus yang diperoleh oleh aplikasiV g ( 1C ). S ditentukan oleh kemiringan gaya termoelektromotif (∆ V ) tergantung pada perbedaan suhu (∆ T ) antara elektroda ( S = ∆ V / ∆ T ) untuk setiap V g ( 1D ).

Gambar 1E menunjukkan ketergantungan σ pada S (di atas) dan σ pada P (di bawah), diperoleh untuk dua perangkat independen pada suhu kamar. Karena doping pembawa muatan yang konstan, data yang diperoleh dari kedua perangkat memiliki sebaran yang agak kecil. Dan bentuk hubungan yang diamati adalah S- σ adalah reversibel jika V g tidak melebihi ambang degradasi perangkat.

Hal pertama yang diperhatikan adalah bahwa P menunjukkan maksimum yang jelas di atas 100 S / cm. Tampilan maksimum P diharapkan dalam dua kasus berikut. Dalam kasus pertama, ini adalah semikonduktor nondegenerate biasa, di mana relasi S - σ dijelaskan oleh relasi logaritmik S ∝ ln σ. Namun, kemiringan kurva Yonker yang diamati (ketergantungan koefisien Seebeck pada logaritma konduktivitas) menunjukkan perubahan bertahap sekitar 10 dan 100 S / cm. Dan ini menunjukkan bahwa proses yang diaktifkan secara konvensional tidak dapat menjelaskan data eksperimen yang diperoleh.

Dalam kasus kedua, dicatat bahwa P maksimum paling sering diamati jika keadaan elektronik berubah dari non-merosot menjadi berdegenerasi setelah doping pembawa. Dalam hal ini, rasio S - σ (atau P - σ ) dapat dibagi menjadi dua daerah pada tingkat doping yang memberikan nilai maksimum P , yang mencerminkan perubahan mendasar pada sifat elektronik dari bahan yang didoping.

Rasio S - σ ( 1E ) mengikuti S empiris S ∝ σ -1/4 (atau P ∝ σ -1/2 ) di wilayah konduktivitas rendah ( σ <100 S / cm), tetapi dengan meningkatnya σ rasio S - σ bergerak menjauh dari ini nilai mendekati S ∝ σ -1 (garis putus-putus pada 1E ).

Karena proses doping elektrokimia melibatkan penetrasi ion dopan ke dalam film, juga perlu untuk menyelidiki kemungkinan modifikasi struktural dari pengaturan molekul selama proses doping, yang dapat mempengaruhi sifat termoelektrik. Untuk melakukan ini, para ilmuwan melakukan percobaan pada difraksi sinar-X (GIXD) pada polimer yang didoping, yang hasilnya ditunjukkan pada gambar di bawah ini.


Gambar No. 2

Dalam film yang tidak disentuh ( V g= 0 V), puncak hamburan yang jelas diamati di luar bidang (h00), sesuai dengan struktur pelat hingga urutan keempat, dan juga puncak pada bidang (010), sesuai dengan kemasan π-π, menunjukkan sifat sangat kristalin dari film tipis PBTTT. Atomic force microscopy (AFM) dari permukaan film juga mengkonfirmasi kristalinitas tinggi. Ketika pembawa didoping, profil puncak menunjukkan perubahan yang jelas (puncak (100) pada 2B dan 2D ; puncak (010) pada 2C dan 2E ).

Vektor hamburan q z dari puncak (100) secara terus menerus bergeser ke nilai yang lebih rendah, sementara | V g | meningkat karena perluasan jarak antara pelat dari 23,3 Å di Vg = 0 V hingga 29,4 Å pada V g = −1,6 V ( 2D ). Perluasan ini disebabkan oleh interkalasi * anion bis (trifluorometanesulfonil) imida (TFSI) dalam film
Interkalasi * adalah penggabungan molekul, ion, atau atom yang dapat dibalik di antara molekul atau kelompok (lapisan) atom jenis lain.
Namun, dibandingkan dengan penelitian sebelumnya, peningkatan langkah kisi dalam kasus ini jauh lebih besar (~ 6), yang dekat dengan panjang anion TFSI (~ 8,0). Hasil ini menyiratkan bahwa molekul-molekul TFSI terletak pada posisi interlamellar (antara film-film) untuk membentuk konfigurasi ujung-ke-ujung dengan rantai samping alkil ( 2F ).

Bahkan dengan ekspansi kisi yang sedemikian besar, tidak ada perluasan garis puncak difraksi yang diamati, yaitu. kristalinitas struktur pipih tidak memburuk karena interkalasi anionik.

Selain itu, interkalasi anionik terjadi secara terbalik, sebagaimana dibuktikan oleh fakta bahwa jarak antara kisi-kisi dikembalikan dekat dengan nilai asli ketika tegangan positif setelah doping diterapkan.

Ada juga pergeseran yang jelas dari vektor hamburan q xy dari (010) puncak terhadap nilai-nilai yang lebih tinggi selama doping, yang menunjukkan penurunan π-π susun jarak ( 2C dan 2E ).

Secara total, data percobaan di atas dengan jelas menunjukkan bahwa sistem tidak menunjukkan degradasi struktural pada doping.

Selanjutnya, spektroskopi EPR (resonansi paramagnetik elektron) dilakukan.


Gambar №3

Pada 3A menunjukkan diagram cairan TFT (transistor film tipis) dengan gerbang ion yang memungkinkan pengukuran ESR dan konduktivitas secara simultan saat menerapkan V g .


Selain 3C

Dalam kasus menggunakan negatif V g , sinyal EPR jelas pembawa positif (polarons) diamati di PBTTT ( 3B ) rantai . Sebuah sinyal diamati dengan nilai g dari sekitar 2,003, terlepas dari V g nilai , jika medan magnet eksternal tambahan ( H ) digunakan, yang tegak lurus terhadap substrat. Hasil ini menunjukkan bahwa pembawa berada di wilayah dengan orientasi edge-on (mis., Edge) ( 3C ), yang konsisten dengan hasil GIXD yang menunjukkan tidak adanya fraktur kristalin dalam film doped.

Dari intensitas integral dari sinyal EPR, juga dimungkinkan untuk menentukan kerentanan putaran (χ) dari film yang diolah. Pada 3Dmenunjukkan grafik χ versus σ , yang diperoleh secara bersamaan dengan pengukuran EPR. Peningkatan tajam χ diamati di wilayah konduktivitas rendah dengan peningkatan σ .

Di daerah yang didoping ringan di mana polaron terisolasi secara magnetis, kerentanan putaran mengikuti hukum Curie:

χ = Ng 2 μ B 2 S (S + 1) / 3k B T , di mana N adalah jumlah total putaran.

Dalam hal ini, kerentanan putaran sebanding dengan konsentrasi pembawa n , oleh karena itu, hubungan χ ∝ σ harus dalam keadaan mobilitas konstan. Rasio ini memang diamati di wilayah konduktivitas yang sangat rendahσ <0,01 S / cm ( 3D ), yang menunjukkan dominasi polar terisolasi dalam transfer muatan.

Jika nilai σ melebihi 1 S / cm, maka perluasan garis yang jelas ( 3E ) diamati , menunjukkan dinamika putaran yang sama sekali berbeda di wilayah ini. Dalam situasi seperti itu, delokalisasi operator diamati. Ini menunjukkan bahwa gangguan energi tidak mendominasi dalam proses transfer dalam domain kristal dengan σ di atas 1 S / cm.

Ketika pembawa terdelokalisasi setelah doping membentuk negara yang mengalami kemunduran (atau logam), hukum Curie *tidak lagi puas, dan kerentanan spin Pauli terjadi ketika χ sebanding dengan kepadatan negara pada tingkat energi Fermi, dan bukan pada konsentrasi pembawa n .
Curie law * - tingkat magnetisasi paramagnet berbanding terbalik dengan suhu dalam hal perubahan suhu dan dengan bidang eksternal yang konstan.
Suatu saturasi yang hampir lengkap dari peningkatan χ juga diamati dalam kasus peningkatan σ di atas 1 S / cm, yang mencakup perluasan garis karena delokalisasi pembawa. Ini mengkonfirmasi pembentukan keadaan elektronik yang merosot (atau logam) dalam domain dengan orientasi tepi.

Dalam kasus σ ~ 100 S / cm sinyal EPR tidak menunjukkan tidak ada kelainan dan rasio S - σ menunjukkan penyimpangan dari S - σ -1/4 ( 1E ). Ini menunjukkan bahwa sifat termoelektrik berubah secara independen dari keadaan elektronik mikroskopis dalam domain.


Gambar No. 4

Gambar 4Amenunjukkan ketergantungan suhu σ yang diperoleh pada berbagai nilai V g . Pada suhu kamar ( σ RT ) dan naikkan | V g | peningkatan konduktivitas diamati. Dengan nilai yang cukup tinggi | V g | daerah suhu negatif ( dσ / dT <0) muncul , menunjukkan keadaan logam.

Keadaan logam diamati bahkan pada suhu di bawah 200 K dan | V g | > 1,7 V, yang lebih rendah dari suhu pembekuan elektrolit. Observasi ini juga dikonfirmasi dengan mengukur magnetoresistance di V g= -2.2 V dan 150 K ( 4B ).


Image No. 5

Sebagai kesimpulan dari pekerjaan mereka, para peneliti menganalisis hubungan antara transfer muatan dan sifat termoelektrik. Gambar 5A menunjukkan rasio S - σ pada suhu kamar yang diperoleh baik dalam penelitian ini dan dalam penelitian lain menggunakan metode doping lainnya.

Para ilmuwan menunjukkan bahwa konduktivitas di mana rasio S - σ menyimpang dari nilai empiris setuju dengan cukup baik dengan konduktivitas di mana transfer muatan diamati dalam logam, yaitu. σ RT ~ 100 S / cm.

Ini menegaskan rasioS ∝ σ -1 yang diamati di wilayah konduktivitas tinggi memang mengikuti persamaan Mott, mencerminkan sifat logam dari sistem. Sebaliknya, σ menunjukkan ketergantungan suhu non-logam di wilayah σ RT <100 S / cm, meskipun keadaan elektronik mikroskopis dalam domain kristal adalah logam di atas 1 S / cm. Hasil ini menunjukkan bahwa proses transfer muatan makroskopis terutama dibatasi oleh heterogenitas struktural, seperti dinding domain, dan bukan oleh tangkapan muatan di dalam kristalit.

Peneliti ingat bahwa proses transfer muatan makroskopis dalam film polimer polikristalin dimodelkan dengan mengikat molekul antara domain kristal ( 5B) Dalam hal ini, struktur lokal molekul pengikat secara signifikan mempengaruhi proses transfer muatan.

Dalam hal ini, kombinasi domain harus cukup sensitif terhadap kondisi doping, mungkin karena gangguan struktural / energi dari molekul pengikat yang diinduksi dopant terisolasi. Dengan kata lain, doping moderat menggunakan teknik yang ada untuk elektrolit gating memungkinkan untuk menghubungkan domain kristal secara efisien, yang mengarah pada transisi logam makroskopik yang memberikan faktor daya maksimum dalam film tipis PBTTT.

Untuk seorang kenalan yang lebih mendetail dengan nuansa penelitian ini, saya sarankan Anda melihat laporan para ilmuwan dan bahan tambahan untuk itu.

Epilog


Polimer konduktif listrik bukanlah sesuatu yang baru, namun, dalam karya ini, para ilmuwan dapat memperbaikinya, sehingga meningkatkan karakteristik termoelektriknya. Intinya adalah bahwa film tipis di dalam polimer terdiri dari bagian kristal dan non-kristal, yang sangat menyulitkan proses mempelajari sifat-sifat polimer, apalagi memanipulasinya.

Namun, dalam penelitian ini, polimer PBTTT digunakan, di mana lapisan tipis gel elektrolit ionik ditambahkan untuk meningkatkan konduktivitas. Untuk koneksi yang sukses dari dua elemen ini, perlu untuk menerapkan tegangan tertentu, yang juga memungkinkan untuk mengevaluasi sifat struktural dari sistem yang dihasilkan.

Polimer yang dihasilkan dalam indikator konduktif lebih seperti logam daripada plastik. Namun, ini hanya dapat dicapai dalam kondisi tertentu (tegangan dan suhu). Di masa depan, para ilmuwan bermaksud untuk melanjutkan pekerjaan mereka, berkonsentrasi pada peningkatan metodologi untuk mengkonversi polimer dengan kemungkinan mengubah metodologi untuk pembentukan sistem (mencari alternatif untuk paduan).

Terima kasih atas perhatian Anda, tetap ingin tahu dan selamat bekerja, kawan. :)

Sedikit iklan :)


Terima kasih untuk tetap bersama kami. Apakah Anda suka artikel kami? Ingin melihat materi yang lebih menarik? Dukung kami dengan melakukan pemesanan atau merekomendasikan kepada teman Anda VPS berbasis cloud untuk pengembang mulai $ 4,99 , analog unik dari server entry-level yang diciptakan oleh kami untuk Anda: Seluruh kebenaran tentang VPS (KVM) E5-2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps mulai dari $ 19 atau cara membagi server? (opsi tersedia dengan RAID1 dan RAID10, hingga 24 core dan hingga 40GB DDR4).

Dell R730xd 2 kali lebih murah di pusat data Equinix Tier IV di Amsterdam? Hanya kami yang memiliki 2 x Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5-2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4x960GB SSD 1Gbps 100 TV dari $ 199 di Belanda!Dell R420 - 2x E5-2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2x960GB SSD 1Gbps 100TB - mulai dari $ 99! Baca tentang Cara Membangun Infrastruktur Bldg. kelas c menggunakan server Dell R730xd E5-2650 v4 seharga 9.000 euro untuk satu sen?

More articles:


All Articles