Reactive Vapor Deposition of Conjugated Polymer Films on Arbitrary Substrates | Protocol (Translated to Turkish)
Reaktif Buhar biriktirme rasgele yüzeylerde konjuge polimer filmleri
Bu kağıt, poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene) ve poli reaktif Buhar biriktirme için bir protokol sunar (thieno [3,2 -b] tiyofen) Filmler cam slaytlar ve pürüzlü yüzeylerde, Tekstil ve kağıt gibi.
Açıkorur konjüge polimerler rasgele yüzeylerde özel olarak tasarlanmış, alçak basınç reaksiyonu odası kullanarak üzerinde kaplama yöntemi göstermektedir. İletken polimerler, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) ve poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT) ve bir yarıiletken polimer, Poli (thieno [3,2 -b] tiyofen) (BK), alışılmamış üzerinde son derece düzensiz tevdi ve Kağıt, havlu ve kumaşlar gibi yüksek yüzey alanları ile dokulu yüzeyler. Bu ifade odası önceki buharı reaktörler bir iyileşme sistemimiz 3,4-propylenedioxythiophene ve thieno gibi geçici ve kalıcı monomerleri barındırabilir çünkü rapor [3,2 -b] tiyofen. Katı ve sıvı oksidanlar kullanımı de gösterdi. Bu yöntemin bir sınırlama bu sofistike situ içinde kalınlık monitörler yoksun olması. Polimer kaplamalar spin-kaplama ve yüzey aşılama gibi yaygın olarak kullanılan çözüm tabanlı kaplama yöntemleri tarafından yapılan tek tip veya mekanik bozulma için duyarlı değildir. Bu buharı faz biriktirme yöntemi bu sakıncaları üstesinden gelir ve ortak çözüm tabanlı kaplama yöntemleri için güçlü bir alternatif bildirdi. Özellikle, polimer Filmler tarafından bildirilen yöntemi kaplı düzgün ve mikrometre ölçekte bile pürüzlü yüzeylerde açıkorurdur. Bu özellik için esnek ve yüksek dokulu yüzeyler üzerinde elektronik cihazlarda yatırılır buharı polimerlerin yönelik uygulama sağlar.
İletken polimer ve yarıiletken malzemeler esneklik1, esnekliği2, oluşturmak için olağanüstü fırsatlar sağlayan şeffaflık3ve düşük yoğunluklu,4 gibi benzersiz özellikleri vardır geleneksel olmayan yüzeylerde yeni nesil elektronik cihazlarda. Şu anda, pek çok araştırmacı esnek oluşturmak için polimer malzemeler ve/veya giyilebilir elektronik5,6 , akıllı Tekstil7benzersiz özelliklerini yararlanmak için gayret. Ancak, son derece dokulu yüzeyler ve kağıt, kumaş ve konu/iplikler, gibi sağlam olmayan yüzeylerde açıkorur kat yeteneği unmastered kalır. En sık, polimer sentez ve çözüm yöntemleri kullanarak yüzeylerde boyalı. 8 , 9 , 10 , 11 , 12 çözüm yöntemleri kaplı polimer lifleri/Tekstil sağlasa, böylece elde edilen kaplamalar üniform olmayan ve küçük fiziksel gerilmeler13,14 tarafından kolayca hasarlı çoğu kez. Çözüm yöntemleri kaplama kağıdı için geçerli değildir, aynı zamanda sorunları ıslatma yüzünden.
Reaktif Buhar biriktirme yüzeylerde yüzey kimya/kompozisyon, yüzey enerji ve Yüzey pürüzlülük/topografi15bakılmaksızın çeşitli bir yelpazede açıkorur konjuge polimer filmler oluşturabilirsiniz. Bu yaklaşım, aynı anda bir yüzeye monomer ve oksidan buharlar sunarak buharı aşamasında konjüge polimerler sentezlenmiş. Bir tek, solventsiz adım yüzey üzerinde polimerizasyon ve film oluşumu oluşur. Bu yöntem teorik olarak çözüm yöntemleri kullanarak oksidatif polimerizasyon tarafından sentezlenen konjuge herhangi bir polimer için geçerlidir. Ancak, bugüne kadar konjuge polimer yapıları sadece dar bir dizi yatırmak için iletişim kuralları denir. 15
Burada, biz göstermek devrilmesinden sonra iletken poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) ve poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT) ve yarıiletken Poli (thieno [3,2 -b] tiyofen) (BK) filmleri ile reaktif Buhar biriktirme. İki türlü oksidanlar, katı FeCl3 ve sıvı Br2, süreç içinde kullanılır. Karşılık gelen polimerler Cl-PProDOT, Cl-BK ve Br-PEDOT adlandırılır. Hem geleneksel yüzeyler, cam slaytlar ve kağıt, havlu ve kumaşlar, gibi alışılmamış dokulu yüzeyler polimer film ile kaplı.
Bu iletişim kuralı, özel olarak oluşturulmuş buharı ifade odasının kurulum ve biriktirme işleminin ayrıntılarını açıklar. Yeni Uygulayıcıları kendi biriktirme sistemi kurmak ve buharı fazlı sentezi ile ilişkili ortak tuzaklardan kaçınmak yardımcı olmak içindir.
MSDS Kimyasalları okuyup tüm kimyasal güvenlik önlemleri, kurum tarafından gerektiği gibi izleyin.
1. birikimi Cl-PProDOT ve Cl-BK
Şekil 1' de gösterildiği gibi özel olarak oluşturulmuş borulu Buhar biriktirme odası yapısını oluşturun.
2-inç (OD) sigortalı kuvars tüp erimiş yapar 1/4-inç (dış çap, OD) kuvars yan koya. Özel olarak oluşturulmuş bir U-şekil 1-inç paslanmaz çelik tüp ve bir Dewar şişesi ile soğuk bir tuzak yapmak.
Kuvars tüp bir vakum ölçer ve soğuk tuzak paslanmaz çelik KF bağlayıcıları kullanarak iletişim kurmak ve hızlı kuplajları bağlayın. Monomer bir kuvars ampul yerleştirin ve ampul borulu Odası 1/4-inç ile bağlanmak hızlı kuplajları ve iğneli Vana bağlayın. Oksidan odasında bir pota yerleştirin.
Ayrı Isıtma bantları kaynakları oksidan, yüzeyler ve monomer için Isıtma olarak kullanın. Gaz girişi ek noble gerekirse işlem basıncı kontrolü için gazlar tanıtmak odası sağ uç köşesinde ekleyin.
3,4-propylenedioxythiophene (ProDOT) 50 mg monomer ampül ekleyin ve borulu odasına bağlayın. İğneli Vana açık tutun.
Yüzeylerde (cam kaymak, kumaşlar, kağıt vb.) odasında koymak. Yüzeylerde 1.3 cm x 2,5 cm uzunluğundadır.
Ve odasında yer FeCl3 50 mg 5 mL pota içinde ekleyin.
Not: Monomer giriş, yüzeyler ve pota göreli konumları şekil 1' de gösterilmektedir. 13 cm monomer giriş ve pota arasındaki mesafedir.
Pompayı açın. Vana odası sağ ucunda yavaşça kapatın. Sonra dolu bir basınç altında 525 mTorr yer (70 Pa), sıvı nitrojen içinde soğuk tuzak ekleyin.
Teyp Isıtma ile üç ısıtma bölgeleri sarın ve Isıtma bandı ısı kontrol cihazları bağlayın.
Ne zaman baskı işleme basınç azalır (52,5 mTorr, 7 Pa), iğneli Vana monomer kapsayıcı kapatın.
Oksidan, yüzeyler ve 170 ° C, 80 ° C ve 80 ° C, monomer sırasıyla Isıtma başlatın. ~ 10 dk sonra FeCl3 buharlaşmış ve kırmızı FeCl3 katı serin bölgede oluşturulur.
İğneli Vana monomer kapsayıcı açın.
Not: Mavi renkli ince filmler substrat bölgede oluşturulacak. Tipik büyüme oranları ~ 10 nm/dak sağlamak bu FeCl3 buhar odasında iğneli Vana monomer kapsayıcı açmadan önce oluşturulur. Aksi takdirde, monomer FeCl3 katı pota içinde tepki ve oksidan daha da buharlaşma önleyen bir polimer tabaka oluştururlar.
Ne zaman istenilen kalınlık elde iğneli Vana monomer kapsayıcı kapatın. Tüm Isıtma bandı açmak ve oda sıcaklığında sisteme serin.
Gaz giriş vanası açmak ve pompa kapatmak.
Örnek odadan almam. Dikkatle metanol için kalan oksidan ve monomer kaldırmak 30 dk örneklerinde bırakın.
Not: Saat durulama film kalınlığı arttıkça artacaktır. 30-dak durulama için 100'den daha ince filmler tipik cam slaytlara nm. Filmler 500 kalın nm durulama zaman--dan belgili tanımlık substrate delaminate.
Dikkatli bir şekilde darbe kuru azot gazı ile örnekleri.
Thieno 50 mg eklemek [3,2 -b] tiyofen (TT) monomer ampül ve borulu odasına bağlayın. İğneli Vana açık tutun.
1.2.2 adımları yineleyin. 1.2.12 için.
2. Br-PEDOT birikimi
İfade odası kurulumu
Kuvars tüp oksidanlar için bir ek 1/4-inç yan giriş eklemek ve monomer giriş dışında 8 inç yapmak. Sıvı oksidan bir kuvars ampul yere takıp ampul borulu odasına monomer (Şekil 2) aynı şekilde bağlayın.
3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) 2 mL monomer ampul ekleyin ve ampul borulu odasına bağlayın. İğneli Vana açık tutun.
Monomer buharı giriş yakınındaki borulu odasında yüzeylerde (cam kaymak, kumaşlar, kağıt vb.) yerleştirin. Belgili tanımlık substrate 1.3 cm x 2,5 cm uzunluğundadır.
Bir duman hood Br2 2 mL oksidan ampul ekleyin, ampul iğneli Vana bağlanmak ve iğneli vana kapalı tutmak. İğneli Vana kuvars tüp takın.
Uyarı: Br2 tehlikeli bir malzemedir. Ele alırken dikkatli olun.
Teyp Isıtma ile monomer bölge sarın ve bir sıcaklık denetleyicisi ile bağlayın. Oda sıcaklığında substrat ve oksidan bölge korumak.
Ne zaman basınç azalır 52,5 mTorr işleme baskısı (7 Pa), oksidan iğneli Vana açın.
Not: Tepki çok hızlıdır. Br2 çok uçucu olduğundan mavi PEDOT Filmler monomer giriş yakın oluşturacak.
Ne zaman istenilen kalınlık elde monomer ve oksidan iğne valfleri kapatın.
Isıtma bandı açmak ve oda sıcaklığında sisteme serin.
Gaz giriş vanası açmak ve pompa kapatmak. Örnek odadan almam.
Not: Durulama Br2için gerekli değildir-katkılı polimerler.
1.3 cm x 2,5 cm cam slaytlara ayrı yanal pozisyonlarda Merkezi tüp boyunca yerleştirilen oluşan Cl-PProDOT film kalınlığı bir profilometer (şekil 3) tarafından ölçülen. İletkenlikleri ev yapımı dört maddelik sonda test istasyonu kullanarak direnci ölçüleri hesaplanır. Bir 100-nm kalın Cl-PProDOT film cam slaytlara ölçülen iletkenlik 106 S/cm, bu film bir potansiyel elektrot malzeme olarak hak kazanmak yeterli olan dür. Şekil 4 100-nm PProDOT film bir cam slayt üzerinde AFM görüntüsüdür. Sonra durulama tüm kalıntı FeCl3 kaldırıldı kanıtlamak için toplanmıştır ve iletkenlik polimer (şekil 5) sadece doğar kanıtlamak photoelectron spektroskopisi (XPS) spectra Cl-PProDOT filmleri daha önce cam slaytlara ve x-ışını.
UV/Vis soğurma spektrumları Cl-PProDOT, Cl-BK ve Br-PEDOT şekil 6' da gösterilen. Hemen sonra ifade izole polimerler vardır p-katkılı fazla oksidan varlığı nedeniyle. Buna göre bu filmleri kırmızı/NIR bölge polaronic ve bipolaronic emme bantlarında nedeniyle mavi renkte görünür. Geniş, özelliksiz emme bantları ötesinde 600 nm, polarons, bipolaron ve polaron karakteristik Cl-PProDOT ve Br-PEDOT pkalır gösteren Cl-PProDOT ve Br-PEDOT filminde önce ve sonra durulama, değişmeden kalır-katkılı durulama sonra. Buna ek olarak, Cl-BK hiçbir polaron veya bipolaron doruklarına sonra durulama, Cl-BK durulama işlemi sırasında tam olarak de-katkılı olduğunu belirten gösterir.
Optik Filmler ve kağıt, kadife kumaş ve bir pamuk havlu önce ve sonra kaplama Cl-BK ile tarama elektron mikroskobu (SEM) görüntülerini Şekil 7' de gösterilir. Sonra kaplama, koyu kırmızı, Cl-BK kaplamalar varlığını gösteren bozulmamış beyaz yüzeylerde haline. Üç yüzeylerde yüksek dokulu ve düzensiz ve yüksek yüzey alanına sahiptir. SEM görüntüleri filmleri düzgün ve mikrometre ölçekte yüzeyi üzerinde üç yüzeylerde açıkorurdur olduğunu göstermektedir.
Şekil 1. İfade odası kurulum. Şematik buharı ifade odası katı oksidanlar için. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 2. İfade odası kurulum. Şematik sıvı oksidanlar borulu Buhar biriktirme odası. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 3. Polimer film kalınlığı karakterizasyonu. Yanal polimer film kalınlığı profil Cl-PProDOT buharı polimerizasyon için.
Şekil 4. Morfoloji karakterizasyonu AFM ile. 100-nm Cl-PProDOT bir cam slayt üzerinde AFM görüntüsü.
Şekil 5. Elementel analiz. XPS spectra 1.3 cm x 2,5 cm cam slaydın hemen sonra ifade (siyah çizgi) ve (kırmızı çizgi) metanol ile durulama sonra 100-nm bir kalın film Cl-PProDOT ile kaplı. Spectra demir tuzları durulama sonra kaldırılır ortaya koyuyor.
Şekil 6. Optik özellik karakterizasyon. Emme spectra cam slaytlara Cl-PProDOT, Cl-BK ve Br-PEDOT filmlerin. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Şekil 7. Morfoloji karakterizasyonu optik mikroskobu ve elektron mikroskobu (SEM) tarama ile. Optik Filmler bozulmamış (a-c) ve BK (d-f) kaplamalı kağıt, polyester/Rayonu kadife ve pamuk havlu. SEM görüntüleri (g-ı) bas-KONUŞ kaplanmış kağıt, polyester/Rayonu kadife ve havlu Pamuk. Bu rakam daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için buraya tıklayınız.
Oksidatif polimerizasyon reaksiyonu mekanizmasıdır. Mekanizma kullanılarak polimer kaplama yöntemleri electropolymerization17 içerir ve faz polimerizasyon18Buhar. Electropolymerization iletken bir substrat gerektirir, düzgün ve açıkorur kaplama avantajı yoksun ve bir çevre düşmanca yöntemi çözüm göre19yaşında. Varolan buharı faz polimerizasyon yöntemi rapor burada yöntemine benzer, ancak yalnızca son derece geçici olmayan monomerleri20polimerize. Bizim yöntemi varolan bir yöntemi odası tasarım geliştirilmiş ve yalnızca son derece geçici olmayan monomerleri aynı zamanda geçici olmayan monomerleri polimerize değil. Yeni iletken ve yarıiletken polimerler, PProDOT ve bas-KONUŞ, gibi bir dizi rapor istimal belgili tanımlık yöntem ilk kez ifade burada20buharı faz tarafından sentezlenen.
Protokol bir kritik monomer buharı (Adım 1.2.8.) tanıtılması zamanlama adımdır. Sonra FeCl3 buharı, serin bölgesinde kırmızı katı oluşumu tarafından söyledim oluşturulur iletişim kuralında, monomer buharı odasına tanıştırdı. Monomer buharı FeCl3 Buhar olmadan kullanılırsa, monomer buharı oksidan pota ulaşmak ve katı oksidan ile doğrudan tepki. Bu katı oksidan kapsayan bir polimer tabaka oluştururlar ve buharlaşma önlemek. Öte yandan, monomer buharı çok geç kullanılırsa, oksidan kalın bir tabaka oluşmuş ve polimer Filmler morfolojisi etkiler.
Polimer film kalınlığı reaksiyon süresi tarafından kontrol edilebilir. Burada sunulan polimer filmlerin ifade oranı ~ 10 nm/dak ve monomer akış hızı tarafından kontrol edilebilir. Bu protokol için monomer debisi monomer sıcaklık ve iğneli Vana ayarlayarak denetlenir. Daha kesin bir denetim gerekli değilse, bir yüksek sıcaklık kitle debimetre monomer ampul ve monomer giriş arasında eklenebilir.
Biz sadece bu protokol için üç polimerler örnekleri mevcut. Diğer polimer kaplama için reaksiyon koşulları optimize edilmiş olması gerekir. Aynı oksidan kullanılırsa oksidan sıcaklığını aynı protokol olarak tutulabilir. Bu işlem basınç polimerlerin zincir uzunlukları etkiler bildirilmiştir. Düşük işlem baskılar kısa konjugasyon21' neden. Oksidan sıcaklığını her yeni monomer için de optimize edilmelidir. Tipik bir değer oksidan'ın erime noktası başlamaktır. En iyi yüzey sıcaklık genellikle monomer sıcaklık arttıkça artar. Polimer Filmler 500 ince nm ile bol metanol durulama, tüm kalıntı oksidan ve monomer tümüyle kaldırılmasını yeter. Daha kalın filmler için kalan FeCl3, tamamen kaldırmak için filmler getirilebilir gecede 1 M HCl su çözeltilerine dalmış ve metanol ile durulanır.
Bir dezavantajı, bildirilen ifade odasının bir in situ QCM (kuvars kristal microbalance) sensörü yoksun ve bu nedenle, ifade oranları ve film kalınlığı ifade sırasında izlenen edemiyor. Film kalınlığı tüm substrat bölgede nedeniyle toplu taşıma yönü yanal üniforma değil. Yanal polimer film kalınlığı profil Cl-PProDOT buharı polimerizasyon için şekil 3' te gösterilmiştir. Monomer kaynak ve oksidan kaynak arasında orta oluşan polimer filmin en kalın olduğunu ve kalınlığı giderek ortasından iki yanal yönde azalır.. Bu iki buharı kaynaklardan gelen toplu taşıma substrat bölgesinin orta yanal yönünü onaylar ve kalınlığı sadece reaksiyon süresi tarafından aynı zamanda substrat konuma göre denetlenebilir ortaya koymaktadır.
Bu yöntem üzerinde rasgele yüzeylerde yürütülmesi ve yarıiletken polimerler yatırabilirsiniz beri yeni nesil elektronik takılabilir cihazlar22,23gibi konvansiyonel olmayan yüzeylerde üzerinde uygulanabilir. Örneğin, iletken PEDOT veya PProDOT Tekstil iletken Tekstil yapmak büyük ölçüde üzerinde kaplı ve giyilebilir elektronik24saat içinde kullanılabilir. Ayrıca, çözüm tabanlı kaplama yöntemleri kağıt yüzeylerde25için geçerli değildir süre konjüge polimerler buharı yatırılır da elektrotlar veya elektronik hafif ulaşmak için kağıt üzerinde etkin katman olarak kullanılır ve düşük maliyetli olabilir.
Sonuç olarak, biz bir reaktif Buhar biriktirme yöntemi cam slaytlar, kağıt, tekstil iletken PProDOT ve PEDOT ve yarıiletken PTT film oluşturmak için göstermek. Bu polimerler hiçbiri reaktif Buhar biriktirme önce tarafından sentez. Bu buhar biriktirme yöntemi polimer Filmler düzgün ve açıkorur son derece düzensiz ve dokulu, yüksek üzerinde kat yüzey alanları yüzeylerde. Bu özellik için esnek ve yüksek dokulu yüzeyler üzerinde elektronik cihazlarda yatırılır buharı polimerlerin yönelik uygulama sağlar.
Yazarlar bize Hava Kuvvetleri Office, bilimsel araştırma, sözleşme numarası FA9550-14-1-0128 altında mali desteği minnetle kabul etmiş oluyorsunuz. T. L. A. David ve Lucille Packard Vakfı tarafından kısmi destek de minnetle kabul eder.