بررسي و بهبود رسانايي پلي)3،4- اتيلندياکسيتيوفن:(
پلي)استايرنسولفونيک اسيد( ( PEDOT:PSS) با افزودن نانوذرات نقره و مايع يوني 2-متيل ايميدازوليوم

فريبرز اتابکي*+
اصفهان، دانشگاه صنعتي مالک اشتر، دانشکده شيمي کاربردی

محمدحسن يوسفي
اصفهان، دانشگاه صنعتي مالک اشتر، گروه نانوفيزيک

ايمان آل کرم
اصفهان، دانشگاه صنعتي مالک اشتر، دانشکده شيمي کاربردی

چكيده: در اين پژوهش، اهميت افزايش رسانايي پلي)4،3-اتيلندیاکسيتيوفن(:پلي)استايرنسولفونيکاسيد( با افزودني نانوذره و مايع يوني به محلولهای آبي PEDOT:PSS تهيه شده در آزمايشگاه موردبررسي قرارگرفته است. پليمر PEDOT:PSS تهيه شده، دارای رسانايي و شفافيت مناسبي ميباشد .برای دستيابي به اين هدف، نانوذرات نقره بهعنوان دوپهکننده افزوده شد و آزمونهای رسانايي پليمر دارای اين نانوذرات بررسي شد.
در اين مطالعه بهطور همزمان از مايع يوني 2-متيل ايميدازوليوم بهعنوان دوپه کننده ثانويه استفاده شد .
مکانيسم افزايش رسانايي با بررسي تغييرهای نوری و الکتريکي پليمر نهايي موردمطالعه قرار گرفت. کمترين مقاومت )Ω 488( و بيشترين رسانايي با افزايش 5 درصد وزني 2-متيل ايميدازوليوم کلريد به محلول PEDOT:PSS تهيه شده بهدست آمد. به نظر ميرسد افزايشهای رسانايي ديده شده در محلولهای دوپه شده به طور عمده به خاطر تأثيرهای مايع يوني و نانو ذرات بر تغيير کنفورماسيوني زنجيرههای PEDOT ميباشد، که اين پديده ضمن تأثير بر برهمکنش بين زنجيرههای کاتيوني PEDOT و زنجيرههای آنيوني PSS بر فرايند انتقال بين زنجيرهای از نوع هوپينگ نيز مؤثر است. اين موضوع موجب ايجاد يک گذرگاه رسانايي در PEDOT:PSS شده و باعث افزايش در رسانايي ميشود. اين تغييرهای الکتريکي ميتواند پليمر را در کاربردهايي مانند ديودهای نورافشان آلي و سلولهای خورشيدی مورد توجه قرار دهد.
واژههاي كليدي: رسانايي؛ پلي)4،3-اتيلندیاکسيتيوفن(:پلي)استايرنسولفونيکاسيد؛ مايع يوني؛ نانو ذرات .نقره
KEYWORDS: Conductivity; PEDOT:PSS; Ionic Solution; Silver nanoparticles.

+E-mail: [email protected] عهده دار مکاتبات*
59
مقدمه
اغلب پليمرها از نظر الکتريکي عايق هستند، اما پليمرهايي نيز تهيه شدهاند که تا حدودي قابليت رسانايي الکتريکي دارند. عايق بودن پليمرها با پيوندهاي کووالانسي بين اتمها در زنجيرهاي مولکولي ارتباط دارد. پژوهشهاي انجام شده در سالهاي اخير نشان ميدهد ،امکان ايجاد خاصيت رسانايي در امتداد محور مولکولها وجود دارد .
اين نوع پليمرها از پلي استيلن تشکيل شدهاند [3-1].
واردکردن عناصري مانند فلزهاي قليايي يا هالوژنها )فرايند دوپه کردن( به زنجيرهاي مولکولي پلي استيلن به ترتيب نيم رساناهاي پليمري از نوع منفي و مثبت به دست ميدهند .
افزودن عناصر و دوپه کنندهها باعث ميشود که الکترونها بتوانند در امتداد اتمهاي کربن در زنجير حرکت کنند [5، 4].
در طول دو دهه اخير، پليمرهاي مزدوجي که از پليمرشدن شيميايي يا الکتروشيميايي تهيه ميشوند، مورد توجه پژوهشگران زيادي قرار گرفته است [11-6]. پايداري محيطي و گرمايي آنها باعث شده که بتوانند بهعنوان الکترودهاي الکتريکي، ابزارهاي نوري غيرخطي، ديودهاي نشر نور، حسگرها، باتريها و مبدلهاي
آلي بهکار روند. از ميان اين پليمرها PEDOT:PSS بهدليل حلاليت و ويژگيهاي فيزيکي دلخواه، بسيار مورد توجه قرار گرفته است [16-11].
مطالعههاي بسياري براي بهبود رسانايي پليمر PEDOT:PSS انجامشده است تا فيلمهاي نازک اين پليمر بدون از دست رفتن مقدار چشمگيري از شفافيت، توانايي اجراي عملکرد دلخواه را دارا باشند.
در اثر افزايش سوربيتول جامد به محلول PEDOT:PSS را ديدند 6CNBP-N)11( در بهبود رسانايي پليمر PEDOT:PSS و بررسي اما اين امر تنها پساز گرما دادن فيلم در دماي بالا ديده شد. اثر آن درکاربرد سلولهاي خورشيدي ميپردازد [31].

)1( Dimethyl sulfoxide (DMSO) )6( Tetrahydrofuran (THF)
)2( Dimethylformamide (DMF) )7( Zhu
)4( Dimethyl Sulfate (DMS) )8( Wang
)3( Inganas )9( Ho Park
)5( Kim )11(cyanobiphenyl 4′-(N,N,N-trimethyl ammonium bromide hexyloxy) -4

روشهاي سنتي براي افزايش رسانايي PEDOT گذشته از افزودن ديمتيلسولفوکسايد N,N ، )1((DMSO)-ديمتيلفرماميد (DMF))2( يا دي متيل سولفات (DMS))3( به پليمر [11-21]، شامل افزودن يک ترکيب با دو يا تعداد بيشتر از گروههاي قطبي مانند گليکولها، مزو اريترول، متيل سولفوکسايد ،1-متيل-2-پيروليدينون ،2-نيترو اتانول [24-22] يا سورفکتانتهاي آنيوني [25] ميباشد .اي )نگاناس4( و همکارانش افزايش رسانايي آنها معتقد بودند که سوربيتول ميتواند بهعنوان يک عامل انعطافپذير عمل کند تا در دماي بالا به جهتيابي زنجيرههاي PEDOT کمک کند و ارتباط بهتري بين زنجيرهاي رساناي PEDOT ايجاد شود [28-26]. کي )م5( و همکاران افزايش رسانايي را در اثر افزايش ديمتيلسولفوکسيد، N,N-ديمتيل فرماميد يا تتراهيدروفوران)6( ديدند. آنها بيان کردند که حلالهاي قطبي با ثابت ديالکتريک بالا، اثرهاي القايي قوي بين بارهاي مثبت PEDOT و بارهاي منفي PSS تقويتشده ايجاد ميکنند تا برهمکنش کولمبي بين يونهاي همراه و بار حامل کاهش يابد [26،18]. )ژو1( و همکاران در پژوهشهايي که به تازگي انجام شده بهبود رسانايي پليمر PEDOT:PSS را با روش دوپينگ ثانويه دوتايي انجام دادند بدين صورت که براي افزايش رسانايي پليمر از دي متيل سولفوکسايد (DMSO) در ترکيب با نمک ليتيم )ليتيم پرکلرات )4LiClO(( استفاده کردند که هر دو دوپه کننده موجب بهبود رسانايي پليمر ميشوند [22].
در مطالعههاي پيرامون افزايش رسانايي به وسيله افزودن نانو ذرات از مواد گوناگوني براي توليد نانوکامپوزيتها استفاده شده است. افزودن عناصر و ترکيبهاي نانوذره به پليمرهاي آلي باعث بهبود ويژگيهاي الکتريکي و فيزيکي و مکانيکي مانند حلاليت و رسانايي ميشود. براي مثال فيلم PEDOT:PSS حاوي نانوذرههاي 2SnO با اندازه nm 4-5/3 توسط جو )وانگ8( و هو )پارک2( مورد مطالعه قرار گرفت [31]. 2SnO که يک نيمرساناي نوع n است ،به طور ذاتي رسانا بوده و تأثير مثبتي بر رسانايي ميگذارد. در پژوهش صورت گرفته ديده شد که با افزودن اين نانوذرهها )افزايش غلظت و تراکم( مقاومت فيلم کاهش و زبري فيلم افزايش مييابد .
با افزودن مقدارهاي %25 و %51 وزني از اين نانو ذرات مقاومت فيلم به ترتيب تا 6/4و 8/1 کيلو اهم تغيير نموده است. نانوذرات 2SnO برهمکنش بين زنجير PEDOT و PSS را تضعيف کرده و درنتيجه رسانايي افزايش مييابد، پس افزايش رسانايي را ميتوان يک اثر تغيير ساختاري در نظر گرفت [31].
همچنين به تازگي پژوهشهايي صورت گرفته که به بررسي نقش
بخش تجربي
مواد شيميايي مورد استفاده
3،4-اتيلندياکسيتيوفن با جرم مولکولي g/mol 18/142 تهيه شده از شرکت Heraeus، 2- متيل ايميدازول با جرم مولکولي g/mol 112/82، پتاسيم پرسولفات با جرم مولکولي g/mol 32/211، کلريد آهن (III) هگزا هيدرات با جرم مولکولي g/mol 2/211، کلريک اسيد با جرم مولکولي g/mol 46/36، و سديم هيدروکسيد با جرم مولکولي g/mol 221/32 تهيه شده از شرکت مرک، هيدرازين صنعتي با جرم مولکولي g/mol 32، نقره نيترات با جرم مولکولي g/mol 81/162 تهيه شده از شرکت سيگما آلدريچ و سيتريک اسيد صنعتي با جرم مولکولي g/mol 12/122 مورد استفاده قرار گرفتند.

دستگاهها
از دستگاههاي پرتوسنجي FT-IR )مدل 27 FTIR-Tensor( شرکت Bruker، پرتوسنجي جذبي UV-Vis )مدل UVLT70( شرکت PG Instruments ، پرتوسنجي فوتولومينسانس )مدل PLS-LS55( شرکت Perkin Elmer، دستگاه لايهنشاني چرخشي
)مدل AFB0812SH( ساخت دانشگاه صنعتي مالک اشتر با قابليت چرخش حداکثر rpm 12111، ميکروسکوپ تونلزني روبشي )مدل STM-SS3( شرکت NAMASTM و ميکروسکوپ نوري مورد استفاده قرار گرفت.

PEDOT:PSS تهيه پليمر
43
مقدار g 14/1 پلي)استايرنسولفونيکاسيد( (PSS) را درون يک بالن ريخته و به آن mL 11 آب دوبار تقطير افزوده شد سپس به محلول مقدار g 123/1 از 3،4-اتيلندياکسيتيوفن) EDOT( افزوده شد. بعد از گذشت 21 دقيقه که 3،4-اتيلندياکسيتيوفن به طور کامل در محلول حل شد به آن مقدار g 111/1 آهن کلريد 6 آبه) FeCl3.6H2O( بهعنوان اکسيدان افزوده شد ،رنگ محلول بهطور کاملاً محسوسي از حالت شفاف و بيرنگ به رنگ زرد تغيير يافت .پس از گذشت min 21 به محلول مقدار g115/1 پتاسيم پرسولفات) 8K2S2O( بهعنوان آغازگر افزوده شد که با افزودن پتاسيم تيوسولفات پليمر شدن آغاز شد و با گذشت زمان رنگ محلول به آبي تيره تغيير رنگ داد. واکنش در دماي محيط و بر روي همزن مغناطيسي انجام شد. پس از 24 ساعت محلول نيليرنگ شفاف تشکيل شد. pH محلول تهيهشده برابر با 3 بود [33،32]. در پايان محلول با روش طيفسنجي فوتولومينسانس، فرابنفش، عبور و فروسرخ شناسايي شد.
ويژگيهاي طيفي:
Absorbance (nm): 216, 225, 255 Transmittance (nm): 211, 225, 252
تهيه نانوذرات نقره
در ابتدا سيتريک اسيد و سديم هيدروکسيد با نسبت مولي 1به 3 باهم ترکيبشده و نمک سديم تري سيترات براي استفاده در آزمايش بهدست آمد. سپس نقره نيترات با غلظت mM 12 بهعنوان نمک فلزي درون ارلن ريخته شد و در گام بعدي مقدارهاي استوکيومتري اضافي از هيدرازين mM 6 و تري سديم سيترات با غلظت mM 2 بهعنوان کاهشدهنده و پايدارکننده محلول درون ارلن افزوده شد. واکنش در دماي محيط و با استفاده از همزن مغناطيسي انجام شد .رنگ محلول پاياني خاکستري ـ زرد نشاندهنده تشکيل نانوذرات نقره است.
خالصسازي نانوذرات توسط سانتريفيوژ انجام شد. محلول به دست آمده براي حذف يونها و کلوئيدهاي نقره اضافي حداقل سه بار توسط آب يونزدايي شده شسته شد. پس از تهيه نانوذرات نقره با قطر ميانگين 41 تا 51 نانومتر به دست آمده شد.
ويژگيهاي طيفي:
421Absorbance (nm): وجود پيک بيشينه در nm421 تشکيل نانوذرات نقره را تأييد مينمايد. شکل 1 طيف جذب مربوط به نانوذرات نقره تهيه شده را نشان ميدهد .

روش تهيه نمک ايميدازوليوم کلريد
مقدار g 5 از 2-متيل ايميدازول با نسبت مولي 1:1 به mL5 کلريک اسيد 31% اضافه شد تا نمک ايميدازوليوم کلريد تشکيل شود.
واکنش در دماي صفر درجه سلسيوس انجام ميشود، علت اين کار گرمازا بودن بالاي واکنش ميباشد.

نتيجه ها و بحث ها
فرمولهکردن محلول PEDOT:PSS جهت بررسي ويژگيهاي نوري و اپتيکي
براي انجام آزمايشهاي رسانايي نانوذرات نقره براي بهبود خاصيت رسانندگي و انجام آزمونهاي ويژه رسانايي مورد استفاده قرار گرفت. با توجه به اهميت افزايش رسانايي و ويژگي سطحي ماده،

4
/
4

5
/
4

4
/
4

3
/
4

4

جذب
(%)

4

/

4

5

/



قیمت: تومان

دسته بندی : شیمی و مهندسی شیمی

دیدگاهتان را بنویسید