Réactif de Vapor Deposition de Films polymères conjugués sur substrats arbitraires
Summary
Cet article présente un protocole pour le dépôt de vapeur réactif de poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene) et poly (thieno [3, 2 –b] thiophène) films sur lames de verre et des substrats bruts, tels que les textiles et le papier.
Abstract
Nous démontrons une méthode de manière conforme revêtement polymères conjugués sur des substrats arbitraires à l’aide d’une chambre de réaction sur-mesure, à basse pression. Polymères conducteurs, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) et poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT) et un polymère semi-conducteur, poly (thieno [3, 2 –b] thiophène) (PTT), ont été déposés sur non conventionnel très troubles et substrats texturées avec des surfaces élevées, tels que le papier, les serviettes et les tissus. Cela rapporté chambre de dépôt est une amélioration des réacteurs de vapeur précédente parce que notre système peut accueillir des monomères volatiles et non volatiles, comme les 3, 4-propylenedioxythiophene et thieno [3, 2 –b] thiophène. Utilisation d’oxydants solides et liquides sont également illustrés. Une des limites de cette méthode sont qu’elle manque de sophistiqué en situ épaisseur moniteurs. Revêtements de polymère faites par les méthodes enduit en solution couramment utilisées, telles que le greffage de surface et Enduction centrifuge, ne sont pas toujours uniformes ou sensibles à la dégradation mécanique. Cela rapporté méthode déposition en phase vapeur permet de surmonter ces inconvénients et constitue une alternative forte à des méthodes communes d’enduit en solution. Notamment, films de polymère recouvert par la méthode signalée sont uniformes et projection sur des surfaces rugueuses, même à l’échelle micrométrique. Cette fonctionnalité permet application future des polymères de vapeur déposé dans les appareils électroniques grand public sur des substrats flexibles et hautement structurées.
Introduction
Tenue de polymères et matériaux semi-conducteurs ont des propriétés uniques, tels que1de la souplesse, extensibilité2, transparence3et faible densité,4 qui offrent des possibilités extraordinaires pour la création appareils électroniques de nouvelle génération sur des substrats non traditionnels. Actuellement, de nombreux chercheurs sont s’efforçant de tirer profit des propriétés uniques des matériaux polymères pour créer des flexibles et/ou électronique portable5,6 et textiles intelligents7. Toutefois, la capacité de manière conforme enduire les surfaces très texturées et substrats non robustes, tels que le papier, les tissus et les fils/fils, reste non maîtrisée. Le plus souvent, polymères sont synthétisés et enduits sur les surfaces à l’aide de méthodes de solution. 8 , 9 , 10 , 11 , 12 bien que les méthodes de solution fournissent enduit de polymère des fibres et textiles, les enduits ainsi obtenus sont souvent non uniforme et facilement endommagées par des petites contraintes physiques13,14 . Méthodes de solution ne sont également pas applicables aux revêtement papier en raison de problèmes de mouillage.
Dépôt en phase vapeur réactive peut créer des films polymères conjugués conforme sur un large éventail de substrats, quelle que soit la composition/chimie de surface, une énergie de surface et rugosité/topographie de surface15. Dans cette approche, les polymères conjugués sont synthétisés en phase vapeur par débitent simultanément des vapeurs de monomère et oxydant à une surface. Formation de polymérisation et le film se produit sur la surface en une étape unique, sans solvant. Cette méthode est théoriquement applicable à toute polymères conjugués qui peuvent être synthétisés par polymérisation oxydante à l’aide de méthodes de solution. Toutefois, à ce jour, protocoles pour déposer uniquement un ensemble limité de structures polymères conjugués sont connus. 15
Ici, nous démontrons la déposition de conducteur poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) et poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT) et poly semi-conductrices (thieno [3, 2 –b] thiophène) films (PTT) par l’intermédiaire de dépôt en phase vapeur réactive. Deux types d’oxydants, solide FeCl3 et liquide Br2, sont utilisés dans le processus. Les polymères correspondants sont nommés Cl-PProDOT, Cl-PTT et Br-PEDOT. Les substrats classiques, lames de verre et substrats texturées non conventionnelles, telles que le papier, les serviettes et les tissus, sont recouverts avec les films de polymère.
Ce protocole décrit la configuration de la chambre de déposition de vapeur sur mesure ainsi que les détails du processus de dépôt. Il est destiné à aider les nouveaux praticiens pour construire leur système de dépôt et d’éviter les pièges communs associés à la synthèse en phase vapeur.
Protocol
Representative Results
Discussion
Le mécanisme de la réaction est la polymérisation oxydante. Méthodes de revêtement polymère utilisant le même mécanisme incluent électropolymérisation17 et vapor phase polymérisation18. Électropolymérisation nécessite un substrat conducteur et ne dispose pas de l’avantage du revêtement uniforme et conforme est une méthode d’axée sur la solution antiécologiques19. La méthode existante de la polymérisation du phase vapeur est si…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Les auteurs remercient le soutien financier de la nous Air Force Office of Scientific Research, sous le numéro de contrat FA9550-14-1-0128. T. l. A. exprime également sa prise en charge partielle par la David and 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 |
References
- 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).
