Фізико-хімічні властивості та застосування провідного органічного полімеру полі-3,4 етилендіоксітіофен-полістирол сульфонату
Анотація
Історія створення провідних органічних матеріалів почалась з 1977 р. коли шляхом модифікування поліацетилену було створено матеріал, що проводив електричний струм майже так, як метали. Це відкриття та інші фундаментальні дослідження в області органічних полімерів сприяли розвитку органічної електроніки, яка поєднує в собі розробки з фізики твердого тіла та молекулярної фізики, органічної та неорганічної хімії, полімерного матеріалознавства, електроніки та друкарської справи. Одним із перспективних матеріалів, які можуть знайти, і вже знаходять, застосування в органічній електроніці, є полі-3,4-етилендіоксітіофен-полістирол сульфонат (ПЕДОТ:ПСС), який являє собою полімерний електроліт, що складається з позитивно зарядженого полімеру (ПЕДОТ) і негативно зарядженої поверхнево-активної речовини - аніонного сурфактанта – полістиренсульфонової кислоти (ПСС) і є найбільш успішним полімерним матеріалом з точки зору практичного застосування. ПЕДОТ належить до класу заміщених політіофенів і є прикладом хорошого електрохромного матеріалу. Перенесення заряду в провідному полімері ПЕДОТ відбувається по системі спряжених зв’язків за рахунок електроно-обмінних реакцій між сусідніми редокс-місцями (між фрагментами полімеру, на яких делокалізуються електрон або дірка) і супроводжується рухом аніонів-допантів вздовж полімерного ланцюга. Недавнє відкриття видатних термоелектричних властивостей провідного полімеру ПЕДОТ:ПСС відкриває нові перспективи використання провідних органічних полімерів в таких областях як робототехніка, медицина, реклама та багатьох інших.
Огляд присвячено структурі, фізико-хімічним властивостям та застосуванню провідного полімеру полі-3,4-етилендіоксітіофен-полістирол сульфонату (ПЕДОТ:ПСС), а також методикам виготовлення та дослідження його властивостей, експлуатаційних параметрів, напрямів практичного використання пристроїв з цього органічного полімеру. Описано основні області застосування ПЕДОТ:ПСС в електроніці, зокрема в сонячних елементах та датчиках, а також в електронних приладах медичного призначення і в якості підкладки.
Посилання
Po R., Carbonera C., Bernardi A., Tinti F., Camaioni N. Polymer- and carbon-based electrodes for polymer solar cells: Toward low-cost, continuous fabrication over large area. Solar Energy Materials & Solar Cells. 2012. 100: 97. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.12.022
Sun K., Zhang S., Li P., Xia Y., Zhang X., Du D., Isikgor F. H., Ouyang J. Review on application of PEDOTs and PEDOT:PSS in energy conversion and storage devices. Journal of Materials Science Materials in Electronics. 2015. 26(7): 1. https://doi.org/10.1007/s10854-015-2895-5
Huang L. M., Chen C. H., Wen T. C. Development and characterization of flexible electrochromic devices based on polyaniline and poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrene sulfonic acid). Electrochimica Acta. 2006 . 51(26): 5858. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2006.03.031
Kim Y., Kim E. Complementary electrochromic windows with conductive nano-composite thin films. Current app. physics. 2008.8(6):752. https://doi.org/10.1016/j.cap.2007.04.020
Mortimer R. J., Dyer A. L., Reynolds J. R. Electrochromic organic and polymeric materials for display applications. Displays. 2006. 27:2. https://doi.org/10.1016/j.displa.2005.03.003
O'Kane M. Solution-Processing Techniques: A Comparison https://www.ossila.com/pages¬/solution-processing-techniques-comparison.
Taroni J., Santagiuliana G., Wan K. Calado P., Qiu M., Zhang H., Pugno N. M., Palma M., Stingelin-Stutzman N., Heeney M. Toward Stretchable Self-Powered Sensors Based on the Thermoelectric Response of PEDOT:PSS/Polyurethane Blends. Adv. Funct. Mater. 2018. 28(15). https://doi.org/10.1002/adfm.201704285
Service R. F. Electronic Textiles Charge Ahead. Science. 2003. 301(5635): 909. https://doi.org/10.1126/science.301.5635.909
Cima M. J. Next-generation wearable electronics. Nat. Biotechnol. 2014. 32: 642. https://doi.org/10.1038/nbt.2952
Zeng W., Shu L., Li Q., Chen S., Wang F., Tao X. Fiber. Based Wearable Electronics: A Review of Materials, Fabrication, Devices, and Applications. Adv. Mater. 2014. 26: 5310. https://doi.org/10.1002/adma.201400633
Tricoli A., Nasiri N., De S. Wearable and Miniaturized Sensor Technologies for Personalized and Preventive Medicine. Adv. Funct. Mater. 2017. 27(15). https://doi.org/10.1002/adfm.201605271
Kim G.H., Shao L., Zhang K., et al.Engineered doping of organic semiconductors for enhanced thermoelectric efficiency. Nat Mater. 2013. 12(8): 719. https://doi.org/10.1038/nmat3635
Goldsmid H. J. Towards Improved Thermoelectric Generator Materials. J. Electron. Mater. 2017. 46: 2599. https://doi.org/10.1007/s11664-016-4781-1
Snyder G. J., Toberer E. S. Complex thermoelectric materials. Nat. Mater. 2008 . 7: 105. https://doi.org/10.1038/nmat2090
Cho C., Wallace K. L., Tzeng P., et al. Outstanding Low Temperature Thermoelectric Power Factor from Completely Organic Thin Films Enabled by Multidimensional Conjugated Nanomaterials // Adv.Energy Mater.2016. 6(7): 1502168. https://doi.org/10.1002/aenm.201502168
Cho C., Stevens B., Hsu J. H., Bureau R., Hagen D. A., Regev O., Yu C., Grunlan J. C. Completely organic multilayer thin film with thermoelectric power factor rivaling inorganic tellurides. Adv. Mater. 2015. 27(19): 2996. https://doi.org/10.1002/adma.201405738
Bounioux C., Diaz-Chao P., Campoy-Quiles M., Martín-González M. S., Alejandro R. Goñi A. R., Yerushalmi-Rozene R., Müller C. Thermoelectric composites of poly(3-hexylthiophene) and carbon nanotubes with a large power factor. Energy Environ. Sci. 2013. 6: 918-925. https://doi.org/10.1039/c2ee23406h
Dörling B., Ryan J. D., Craddock J. D., Sorrentino A., El Basaty A., Gomez A., Garriga M., Eva Pereiro, Anthony J. E., Weisenberger M. C., Goñi A. R., Müller C., Campoy-Quiles M. Photoinduced p- to n-type Switching in Thermoelectric Polymer-Carbon Nanotube Composites. Adv. Mater. 2016. 28(14): 2782. https://doi.org/10.1002/adma.201505521
Nardes A. M., Kemerink M., Janssen R. A. J., Bastiaansen J.A.M., Kiggen N.M., Langeveld B.M.W., van Breemen A.J., de Kok. M.M. Microscopic understanding of the anisotropic conductivity of PEDOT:PSS thin films. Adv. Mater. 2007. 19(9): 1196. https://doi.org/10.1002/adma.200602575
Chang K.-C., Jeng M.-S., Yang C.-C., Chou Y.-W., Wu S.-K., Thomas M. A., Peng Y.-C. The Thermoelectric Performance of Poly(3,4-ethylenedi oxythiophene) / Poly(4-styrenesulfonate) Thin Films. J. Electron. Mater. 2009. 38(7): 1182. https://doi.org/10.1007/s11664-009-0821-4
Liu C., Lu B., Yan J., Xu J., Yue R., Zhu Z., Zhou S., Hu X., Zhang Z., Chen P., Highly conducting free-standing poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(styrenesulfonate) films with improved thermoelectric performances. Synth. Met. 2010. 160(23-24): 2481. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2010.09.031
Tsai T.-C., Chang H.-C., Chen C.-H., Whang W.-T.. Widely variable Seebeck coefficient and enhanced thermoelectric powerof PEDOT:PSS films by blending thermal decomposable ammonium formate. Org. Electron. 2011. 12: 2159. https://doi.org/10.1016/j.orgel.2011.09.004
Nardes A. M., Janssen R. A. J., Kemerink M. A Morphological Model for the Solvent-Enhanced Conductivity of PEDOT:PSS Thin Films. Adv. Funct. Mater. 2008. 18: 865. https://doi.org/10.1002/adfm.200700796
Crispin X., Marciniak S., Osikowicz W., Zotti G., Denier van der Gon A. W., Louwet F., Fahlman M., L. Groenendaal, Schryver F. C., de Salaneck W. R. Conductivity, morphology, interfacial chemistry, and stability of poly(3,4-ethylene dioxythiophene)-poly(styrene sulfonate): A photoelectron spectroscopy study. J. Polym. Sci., Part B: Polym.Phys. 2003. 41(21): 2561. https://doi.org/10.1002/polb.10659
Bubnova O., Berggren M., Crispin X. Tuning the Thermoelectric Properties of Conducting Polymers in an Electrochemical Transistor. Chem. Soc. 2012. 134(40): 16456. https://doi.org/10.1021/ja305188r
Bubnova O., Khan Z. U., Malti A., et al. Optimization of the thermoelectric figure of merit in the conducting polymer poly(3,4-ethylenedioxythiophene). Nat. Mater. 2011. 10(6): 429. https://doi.org/10.1038/nmat3012
Park T., Park C., Kim B., Braun S., Fahlman M., Berggren M., Crispin X. Flexible PEDOT electrodes with large thermoelectric power factors to generate electricity by the touch of fingertips. Energy Environ. Sci. 2013. 6(3):788. https://doi.org/10.1039/c3ee23729j
Murakami T., Mori Y., Okuzaki H. Effect of Ethylene Glycol on Structure and Carrier Transport in Highly Conductive Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(4-styrenesulfonate). Trans. Mater. Res. Soc. Jpn. 2011. 36(2): 165. https://doi.org/10.14723/tmrsj.36.165
Kim J., Jung J., Lee D., Joo J. Enhancement of electrical conductivity of poly(3,4-ethylenedioxythiophene)/poly(4-styrenesulfonate) by a change of solvents. Synth. Met. 2002. 126(2-3): 311. https://doi.org/10.1016/S0379-6779(01)00576-8
Zhang F., Zang Y., Huang D., Di C.-A., Zhu D., Flexible and self-powered temperature-pressure dual-parameter sensors using microstructure-frame-supported organic thermoelectric materials. Nat. Commun. 2015. 6: 8356. https://doi.org/10.1038/ncomms9356
Shinji H., Takayuki O. Plasmonics: visit the past to know the future. J. Phys. D: Appl. Phys. 2012. 45(43): 433001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/45/43/433001
Xu X., Fukuda K., Karki A., Park S., Kimura H., Jinno H., Watanabe N., Yamamoto S., Shimomura S., Kitazawa D., Yokota T., Umezu S., Nguyen T.-Q., Someya T. Thermally stable, highly efficient, ultraflexible organic photovoltaics. Proceedings of the National Academy of Sciences USA. 2018. 115(18): 4589. https://doi.org/10.1073/pnas.1801187115
Bochkarev M. N, Vitukhnovsky A. G, Katkova M. A Organic Light Emitting Diodes (OLED). (Moscow: DECOM, 2011.) [in Russian]
Viventi J., Kim D.-H., Moss J. D., Kim Y.-S, Blanco J. A., Annetta N., Hicks A., Xiao J., Huang Y., Callans D. J., Rogers J. A., Litt B.. A Conformal, Bio-Interfaced Class of Silicon Electronics for Mapping Cardiac Electrophysiology. Sci.Transl. Med. 2010. 2(24): 24ra22. https://doi.org/10.1126/scitranslmed.3000738
Yoon J., Baca A. J., Elvikis P., Geddes III J. B., Li L., Kim R. H., Xiao J., Wang S., Kim T.-H., Motala M. J., Ahn B. Y., Duoss E. B., Lewis J. A., Nuzzo R. G., Ferreira P. M., Huang Y., Rockett A., Rogers J. A. Ultrathin silicon solar microcells for semitransparent, mechanically flexible and microconcentrator module designs. Nat. Mater. 2008. 7: 907. https://doi.org/10.1038/nmat2287
Qi Y., Jafferis N. T., Lyons K. Jr., Lee C.M., Ahmad H., McAlpine M. C. Piezoelectric ribbons printed onto rubber for flexible energy conversion. Nano Lett. 2010. 10(2): 524. https://doi.org/10.1021/nl903377u
Siciliano B., Oussama K. Springer Handbook of Robotics. (Berlin: Springer-Verlag, 2008). https://doi.org/10.1007/978-3-540-30301-5
Francoeur A. D. Choosing the best protection. Photonics Spectra. 2009. 43: 50.
Gonzalez M., Axisa F., Bulcke M. V., Brosteaux D., Vandevelde B., Vanfleteren J. Design of Metal Interconnects for Stretchable Electronic Circuits using Finite Element Analysis. Microelectron. Reliab. 2008. 48(6): 825. https://doi.org/10.1016/j.microrel.2008.03.025
Park S.-I., Xiong Y., Kim R.-H., Elvikis P., Meitl M., Kim D.-H., Wu J., Yoon J., Yu C.-J., Liu Z., Huang Y., Hwang K.-C., Ferreira P., Li X., Choquette K., Rogers J. A. Printed assemblies of inorganic light-emitting diodes for deformable and semitransparent displays. Science. 2009. 325(5943): 977. https://doi.org/10.1126/science.1175690
Hu X., Krull P., de Graff B., Dowling K., Rogers J. A., Arora W. J. Stretchable Inorganic Semiconductor Electronic Systems. Adv. Mater. 2011. 20: 1. https://doi.org/10.1002/adma.201100144
Qi H.J., Boyce M.C. Constitutive model for stretch-induced softeningof the stress-stretch behavior of elastomericmaterials. J. Mech. Phys. Solids. 2004. 52: 2187. https://doi.org/10.1016/j.jmps.2004.04.008
Du P., O'Grady G., Egbuji J.U., Lammers W. J., Budgett D., Nielsen P., Windsor J. A., Pullan A. J., Cheng L.K. High-resolution mapping of in vivo gastrointestinal slow wave activity using flexible printed circuit board electrodes: methodology and validation. Ann. Biomed.Eng. 2009. 37(4): 839. https://doi.org/10.1007/s10439-009-9654-9
Quirós-Solano W.F., Gaio N., Silvestri C., Pandrauda G., Sarroa P.M. PEDOT:PSS: a Conductive and Flexible Polymer for Sensor Integration in Organ-on-Chip Platforms. Procedia Engineering. 2016. 168: 1184. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.11.401
Cho C.K., Hwang W.J., Eun K., Choa S.-H., Na S.-I., Kima H.-K. Mechanical flexibility of transparent PEDOT:PSS electrodes prepared by gravure printing for flexible organic solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells. 2011. 95(12): 3269. https://doi.org/10.1016/j.solmat.2011.07.009
Pakazad K., Savov A., van de Stolpe A., Dekker R. A novel stretchable micro-electrode array (SMEA) design for directional stretching of cells. Journal of Micromechanics and Microengineering. 2014. 24(3): 34003. https://doi.org/10.1088/0960-1317/24/3/034003
Soe A. K., Nahavandi S., Khoshmanesh K. Neuroscience goes on a chip.Biosensors and Bioelectronics. 2012. 35(1): 1. https://doi.org/10.1016/j.bios.2012.02.012
Bernardeschi I., Greco F., Ciofani G., Marino A., Mattoli V., Mazzolai B., Beccai L. A soft, stretchable and conductive biointerface for cell mechanobiology. Biomed Microdevices. 2015. https://doi.org/10.1007/s10544-015-9950-0
Harada S., Arie T., Akita S., Takei K. Highly Stable Liquid-Solid Metal Contact Toward Multilayered Detachable Flexible Devices. Adv. Electron. Mater. 2015. 1. https://doi.org/10.1002/aelm.201500080
Yamamoto Y., Harada S., Yamamoto D., Honda W., Arie T., Akita S., Takei K. Printed multifunctional flexible device with an integrated motion sensor for health care monitoring. Science Advances. 2016. 2(11). https://doi.org/10.1126/sciadv.1601473