Reactieve Vapor Deposition van geconjugeerd polymeerlagen op willekeurige substraten
Summary
Dit document stelt een protocol voor reactieve damp afzetting van poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene) en poly (thieno [3,2 –b] thiofeen) films op glazen dia’s en ruwe ondergronden, zoals textiel en papier.
Abstract
We tonen een methode van hoekgetrouw coating geconjugeerd polymeren op willekeurige substraten met behulp van een speciaal ontworpen, lagedruk reactie kamer. Geleidende polymeren, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) en poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT), en een halfgeleidende polymeer, poly (thieno [3,2 –b] thiofeen) (PTT), werden gestort op onconventionele zeer rommelige en gestructureerde ondergronden met hoge oppervlakten, zoals papier, handdoeken en stoffen. Dit gemeld afzetting kamer is een verbetering van vorige damp reactoren omdat ons systeem is geschikt voor zowel vluchtige en niet-vluchtig monomeren, zoals 3,4-propylenedioxythiophene en thieno [3,2 –b] thiofeen. Gebruik van zowel vaste en vloeibare oxidanten zijn ook aangetoond. Een beperking van deze methode is dat het ontbreekt aan verfijnde in situ dikte monitoren. Polymer coatings de veelgebruikte oplossing gebaseerde coating-methoden, zoals het spin-coating en oppervlaktebehandeling enten, die zijn vaak niet uniform of gevoelig voor mechanische aantasting. Dit meldde damp fase afzetting methode die nadelen overwint en is een sterk alternatief voor gemeenschappelijke oplossingsgerichte coating methoden. Met name zijn polymeerlagen bekleed door de gerapporteerde methode uniforme en hoekgetrouwe op ruwe oppervlakken, zelfs op een schaal micrometer. Deze functie zorgt voor de toekomstige toepassing van damp gestort polymeren in elektronikaapparaten op flexibele en zeer gestructureerde ondergronden.
Introduction
Polymere uitvoeren en halfgeleidende materialen hebben unieke eigenschappen, zoals flexibiliteit1, rekbaarheid2, transparantie3en lage dichtheid,4 die bieden buitengewone mogelijkheden voor het maken van volgende generatie elektronische apparaten op niet-traditionele substraten. Op dit moment zijn veel onderzoekers endeavoring te profiteren van de unieke eigenschappen van polymere materialen maken flexibele en/of draagbare elektronica5,6 en intelligent textiel7. Toch blijft de mogelijkheid hoekgetrouw jas zeer gestructureerde oppervlakken en niet-robuuste substraten, zoals papier, stoffen en garens/threads, unmastered. Meestal zijn polymeren gesynthetiseerd en gecoat op oppervlakken met behulp van oplossingsmethoden. 8 , 9 , 10 , 11 , 12 hoewel oplossingsmethoden polymeer gecoate vezels/textiel bieden, de aldus verkregen coatings zijn vaak niet-uniforme en gemakkelijk beschadigd door kleine fysieke benadrukt13,14 . Oplossingsmethoden gelden ook niet voor coating papier vanwege problemen bevochtiging.
Reactieve vapor deposition kunt hoekgetrouwe geconjugeerd polymeerlagen maken op een breed scala van substraten, ongeacht de oppervlakte chemie/samenstelling, de oppervlakte-energie en de oppervlakte ruwheid/topografie15. In deze benadering zijn geconjugeerd polymeren gesynthetiseerd in de damp fase door gelijktijdig monomeer en oxidator dampen te leveren aan een oppervlak. Polymerisatie en film vorming treedt op op het oppervlak in een enkele, oplosmiddelvrije stap. Deze methode is theoretisch toepasbaar op elke geconjugeerd polymeer dat kan gesynthetiseerd worden door oxidatieve polymerisatie met behulp van oplossingsmethoden. Echter tot op heden, zijn protocollen voor het storten van slechts een smalle set van geconjugeerd polymeer structuren bekend. 15
Hier tonen we de afzetting van geleidende poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) en poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT) en halfgeleidende poly (thieno [3,2 –b] thiofeen) (PTT) films via reactieve vapor deposition. Twee soorten oxidanten, solide FeCl3 en vloeibare Br2, worden gebruikt in het proces. De overeenkomstige polymeren heten Cl-PProDOT, Cl-PTT en Br-PEDOT. Zowel conventionele substraten, glas dia en onconventionele getextureerde substraten, zoals papier, handdoeken en stoffen, waren bedekt met de polymeerlagen.
Dit protocol beschrijft de installatie van de op maat gemaakte vapor deposition kamer en de details van de depositie-proces. Het is bedoeld om te helpen nieuwe beoefenaars aan hun afzetting systeem bouwen en gemeenschappelijke valkuilen damp-fase synthese gekoppeld te vermijden.
Protocol
Representative Results
Discussion
Het mechanisme van de reactie is oxidatieve polymerisatie. Polymeer coating methoden gebruiken hetzelfde mechanisme omvatten electropolymerization17 en damp fase polymerisatie18. Electropolymerization vereist een geleidende substraat, mist het voordeel van uniforme en hoekgetrouwe coating en is een milieu-onvriendelijke oplossingsgerichte methode19. De bestaande damp fase polymerisatie methode is vergelijkbaar met de methode hier gemeld, maar kan all…
Offenlegungen
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
De auteurs mijn dankbaarheid uitspreken voor financiële steun van de ons Air Force Office voor wetenschappelijk onderzoek, onder overeenkomstnummer FA9550-14-1-0128. T. L. A. erkent ook dankbaar gedeeltelijke steun van de David en Lucille Packard Foundation.
Materials
| 3,4-Ethylenedioxythiophene, 97% | Sigma Aldrich | 483028 | |
| 3,4-Propylenedioxythiophene, 97% | Sigma Aldrich | 660485 | |
| Thieno[3,2-b]thiophene, 95% | Sigma Aldrich | 702668 | |
| FeCl3, 97% | Sigma Aldrich | 157740 | |
| Br2 | Sigma Aldrich | 207888 |
Referenzen
- Kaltenbrunner, M., et al. Ultrathin and lightweight organic solar cells with high flexibility. Nat. Commun. 3, 770 (2012).
- Savagatrup, S., Printz, A. D., O’Connor, T. F., Zaretski, A. V., Lipomi, D. J. Molecularly Stretchable Electronics. Chem. Mater. 26, 3028-3041 (2014).
- Lee, J. -. Y., Connor, S. T., Cui, Y., Peumans, P. Semitransparent Organic Photovoltaic Cells with Laminated Top Electrode. Nano Lett. 10, 1276-1279 (2010).
- Kaltenbrunner, M., et al. An ultra-lightweight design for imperceptible plastic electronics. Nature. 499, 458-463 (2013).
- Jost, K., et al. Carbon coated textiles for flexible energy storage. Energy Environ. Sci. 4, 5060-5067 (2011).
- Hu, L., et al. Stretchable, Porous, and Conductive Energy Textiles. Nano Lett. 10, 708-714 (2010).
- Jost, K., Dion, G., Gogotsi, Y. Textile energy storage in perspective. J. Mater. Chem. A. 2, 10776-10787 (2014).
- Ding, Y., Invernale, M. A., Sotzing, G. A. Conductivity Trends of PEDOT-PSS Impregnated Fabric and the Effect of Conductivity on Electrochromic Textile. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2, 1588-1593 (2010).
- Hong, K. H., Oh, K. W., Kang, T. J. Preparation and properties of electrically conducting textiles by in situ polymerization of poly(3,4-ethylenedioxythiophene). J. Appl. Polym. Sci. 97, 1326-1332 (2005).
- Xu, J., et al. Fabric electrodes coated with polypyrrole nanorods for flexible supercapacitor application prepared via a reactive self-degraded template. Org. Electron. 26, 292-299 (2015).
- Du, Y., et al. Thermoelectric Fabrics: Toward Power Generating Clothing. Sci. Rep. 5, 6411 (2015).
- Yatvin, J., Sherman, S. A., Filocamo, S. F., Locklin, J. Direct functionalization of Kevlar[registered sign] with copolymers containing sulfonyl nitrenes. Polym. Chem. 6, 3090-3097 (2015).
- Musumeci, C., Hutchison, J. A., Samori, P. Controlling the morphology of conductive PEDOT by in situ electropolymerization: from thin films to nanowires with variable electrical properties. Nanoscale. 5, 7756-7761 (2013).
- Allison, L., Hoxie, S., Andrew, T. L. Towards seamlessly-integrated textile electronics: methods to coat fabrics and fibers with conducting polymers for electronic applications. Chem. Commun. 53, 7182-7193 (2017).
- Alf, M. E., et al. Chemical Vapor Deposition of Conformal, Functional, and Responsive Polymer Films. Adv. Mater. 22, 1993-2027 (2010).
- Goktas, H., Wang, X., Boscher, N. D., Torosian, S., Gleason, K. K. Functionalizable and electrically conductive thin films formed by oxidative chemical vapor deposition (oCVD) from mixtures of 3-thiopheneethanol (3TE) and ethylene dioxythiophene (EDOT). J. Mater. Chem. C. 4, 3403-3414 (2016).
- Sadki, S., Schottland, P., Brodie, N., Sabouraud, G. The mechanisms of pyrrole electropolymerization. Chem. Soc. Rev. 29, 283-293 (2000).
- Bhattacharyya, D., Howden, R. M., Borrelli, D. C., Gleason, K. K. Vapor phase oxidative synthesis of conjugated polymers and applications. J. Polym. Sci., Part B: Polym. Phys. 50, 1329-1351 (2012).
- Yamato, H., et al. Synthesis of free-standing poly(3,4-ethylenedioxythiophene) conducting polymer films on a pilot scale. Synth. Met. 83, 125-130 (1996).
- Cheng, N., Zhang, L., Joon Kim, J., Andrew, T. L. Vapor phase organic chemistry to deposit conjugated polymer films on arbitrary substrates. J. Mater. Chem. C. 5, 5787-5796 (2017).
- Borrelli, D. C., Lee, S., Gleason, K. K. Optoelectronic properties of polythiophene thin films and organic TFTs fabricated by oxidative chemical vapor deposition. J. Mater. Chem. C. 2, 7223-7231 (2014).
- Jo, W. J., et al. Oxidative Chemical Vapor Deposition of Neutral Hole Transporting Polymer for Enhanced Solar Cell Efficiency and Lifetime. Adv. Mater. 28, 6399-6404 (2016).
- Wang, M., et al. CVD Polymers for Devices and Device Fabrication. Adv. Mater. 29, 1604606 (2017).
- Kovacik, P., Hierro, G. d., Livernois, W., Gleason, K. K. Scale-up of oCVD: large-area conductive polymer thin films for next-generation electronics. Mater. Horiz. 2, 221-227 (2015).
- Barr, M. C., et al. Direct Monolithic Integration of Organic Photovoltaic Circuits on Unmodified Paper. Adv. Mater. 23, 3500-3505 (2011).
