Reaktiva förångningsdeposition av konjugerad Polymer filmer på godtyckliga substrat
Summary
Detta dokument presenterar ett protokoll för reaktiv förångningsdeposition poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene) och poly (thieno [3,2 –b] tiopen) filmer på objektglas och grov substrat, såsom textilier och papper.
Abstract
Vi visar en metod för conformally beläggning konjugerade polymerer på godtyckliga substrat med hjälp av en specialdesignad, lågtryck reaktionskammaren. Ledande polymerer, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) och poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT), och en halvledande polymer, poly (thieno [3,2 –b] tiopen) (PTT), sattes in på okonventionella mycket sömnrelaterade andningsstörningar och texturerat substrat med hög ytor, såsom tyger, papper och handdukar. Detta rapporterade nedfall kammare är en förbättring av tidigare vapor reaktorer eftersom vårt system rymmer både flyktiga och beständigt monomerer, såsom 3,4-propylenedioxythiophene och thieno [3,2 –b] tiopen. Utnyttjande av både fasta och flytande oxidanter också visat. En begränsning med denna metod är att den saknar sofistikerade i situ tjocklek bildskärmar. Polymera beläggningar av de vanligaste lösning-baserade beläggning metoderna, såsom spin-beläggning och ytan ympning, är ofta inte enhetliga eller mottagliga för mekanisk nedbrytning. Detta rapporterade vapor fas nedfall metod övervinner dessa nackdelar och är ett starkt alternativ till vanliga lösningsbaserade beläggning metoder. Noterbart är är Polymerplaster belagda av metoden rapporterade enhetlig och conformal på grova ytor, även vid en mikrometer skala. Denna funktion möjliggör framtida tillämpning av vapor deponeras polymerer i elektronik anordningen på flexibla och mycket strukturerade substrat.
Introduction
Polymera dirigering och halvledande material har unika egenskaper, såsom flexibilitet1, töjbarhet2, öppenhet3och låg densitet,4 som ger utomordentliga möjligheter för att skapa nästa generations elektroniska enheter på icke traditionella substrat. För närvarande, många forskare strävar efter att utnyttja de unika egenskaperna hos polymera material för att skapa flexibla och/eller bärbar elektronik5,6 och smarta textilier7. Förmågan att conformally päls mycket strukturerade ytor och icke-robust substrat, såsom papper, tyger och trådar/garner, förblir dock unmastered. Polymerer är vanligast, syntetiseras och belagd på ytor med lösningsmetoder. 8 , 9 , 10 , 11 , 12 även om lösningsmetoder ger polymer belagd fibrer/textilier, beläggningar erhålls är ofta ojämn och lätt skadat av små fysiska påfrestningar13,14 . Lösningsmetoder är inte heller tillämpliga på beläggning papper på grund av vätning problem.
Reaktiva förångningsdeposition kan skapa conformal konjugerad polymer filmer på en mängd olika substrat, oavsett ytan kemi/sammansättning, ytenergi och ytans ojämnheter/topografi15. I denna strategi syntetiseras konjugerade polymerer i gasfasen genom att samtidigt leverera monomer och oxidationsmedlet ångor till en yta. Polymerisation och film formation uppstår på ytan i ett enda, lösningsmedelsfri steg. Denna metod gäller teoretiskt någon konjugerad polymer som kan syntetiseras av oxidativ polymerisering använder lösningsmetoder. Dock hittills kända protokoll för att sätta in endast en smal uppsättning konjugerad polymer strukturer. 15
Här visar vi nedfall av konduktiv poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) och poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT) och halvledande poly (thieno [3,2 –b] tiopen) (PTT) filmer via reaktiva förångningsdeposition. Två typer av oxidanter, solid FeCl3 och flytande Br2, används i processen. De motsvarande polymererna namnges Cl-PProDOT, Cl-PTT och Br-PEDOT. Både konventionella substrat, objektglas och okonventionella texturerat substrat, såsom papper, handdukar och tyger, var belagd med polymer filmerna.
Det här protokollet beskriver inställningen av specialbyggda vapor deposition kammaren och detaljerna i processen nedfall. Avsikten är att hjälpa nya utövare att bygga deras nedfall system och undvika vanliga fallgropar är associerad med gasfasen syntes.
Protocol
Representative Results
Discussion
Mekanismen för reaktionen är oxidativ polymerisering. Polymer beläggning metoder använder samma mekanism som inkluderar electropolymerization17 och ånga fas polymerisation18. Electropolymerization kräver ett ledande substrat, saknar fördelen med enhetlig och conformal coating och är en miljöovänliga lösning-baserade metod19. Befintliga vapor fas polymerisation metoden är liknar den metod som redovisas här men bara kan polymerisera högt-…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Författarna erkänner tacksamt ekonomiskt stöd av oss Air Force Office för vetenskaplig forskning, under avtalsnummer FA9550-14-1-0128. T. L. A. erkänner också tacksamt delvis stöd av David och 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).
