Фізико-хімічні властивості та застосування провідного органічного полімеру полі-3,4 етилендіоксітіофен-полістирол сульфонату

  • А. А. Білюк Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • О. Ю. Семчук Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • О. О. Гаврилюк Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0003-4487-0537
Ключові слова: провідні полімери, політіофени, полі-3,4-етилендіоксітіофен-полістирол сульфонат, полімерний електроліт, електропровідність, коефіцієнт Зеєбека, органічна електроніка, органічні сонячні батареї, органічні світловипромінюючі діоди, поліуретан, лайкра, тензодатчики

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

Опубліковано
2019-10-30
Як цитувати
Білюк, А. А., Семчук, О. Ю., & Гаврилюк, О. О. (2019). Фізико-хімічні властивості та застосування провідного органічного полімеру полі-3,4 етилендіоксітіофен-полістирол сульфонату. Поверхня, (11(26), 414-435. https://doi.org/10.15407/Surface.2019.11.414
Розділ
Фізико-хімія поверхневих явищ