Abstrakt

Elektrické a dielektrické vlastnosti pro hromadné ethylcarbazole-terfenyl (PEcbz-Ter) byly studovány po frekvenční rozsah 1 kHz–2 MHz a teplotní rozsah (R. T -120°C). Kopolymer PEcbz-Ter byl charakterizován rentgenovou difrakcí. Frekvenční závislost dielektrické konstanty () a dielektrické ztráty () byla zkoumána pomocí komplexní permitivity. kopolymeru klesá s rostoucí frekvencí a zvyšuje se s teplotou. Údaje o střídavé vodivosti () byly analyzovány univerzálním mocninovým zákonem. Chování se zvyšuje s rostoucí teplotou a frekvencí. Změna frekvence exponent (y) s teplota byla analyzována z hlediska různých vedení mechanismy, a bylo zjištěno, že souvisí bariéra-hopping model je převládající mechanismus vedení. Elektrický modul byl použit k analýze relaxačního jevu v materiálu.

1. Úvod

organické vodivé a polovodičové materiály se objevují jako klíčové materiály pro budoucí elektroniku. Organická elektronika nabízí dvě hlavní výhody oproti klasickým anorganickým polovodičům. Na jedné straně umožňují konstrukci zařízení na flexibilních substrátech a nabízejí tak širokou škálu nových aplikací vyžadujících flexibilitu podpěr . Na druhé straně jsou náklady nižší než náklady na anorganické polovodiče. Tyto materiály, polymery, například, mohou být použity v širokém sortimentu aplikací, jako jsou fotovoltaická zařízení, tranzistory s efektem pole , diody emitující světlo a kapacitní ukládání energie .

vodivost vlastnosti těchto sestav závisí na dvou základních parametrech, konkrétně účinnosti dopravy poplatků v polymeru a účinnost interchain dopravy. Ten často představuje parametr omezující výkon a následně použití polymerů určených pro různé aplikace. Nedávno byly vyvinuty různé příklady polymerů na bázi π-konjugovaných páteřních kostí . Π-konjugáty představují delokalizaci nebo jinými slovy mobilitu elektronů podél polymerní páteře. V konjugovaných systémech, které mají střídavé dvojné vazby, je elektronová hustota delokalizována a obvykle vede ke stabilizaci molekuly. Pohyblivost π-elektronů přispívá k důležitým fyzikálním vlastnostem i chemickým vlastnostem aromatických sloučenin .

Poly(Ethylcarbazole) je vodivý polymer s π-konjugované struktury, které byly široce studovány a používány v fotovoltaických a elektroluminiscenční zařízení, vzhledem k jeho vynikající tepelnou stabilitu a elektronické vlastnosti . Tento polymer vykazuje nízkou dielektrickou konstantu v širokém rozsahu teploty a frekvence. Tyto nízké vlastnosti mohou být vylepšeny rozšířit své aplikační pole. Pro převod poly(ethylcarbazole) do high-K materiál, P-terfenyl byl použit jako stavební blok, díky své chemické stabilitě a vysoká dielektrická konstanta . Oba materiály mohou být vyrobeny jako vhodná volba pro studium elektrických vlastností. Teoretické a experimentální přístupy, na základě dielektrických studie mohou poskytnout důležité informace, které mohou být použity k pochopit, dielektrické polarizace, dielektrické ztráty, a chování nosičů náboje v polymerech . Dielektrické vlastnosti jsou zdrojem cenných informací o elektrických vlastnostech iontů, atomů a molekul, a co je nejdůležitější jejich chování v rámci materiálů. Selvakumar a kol. uvádí se, že elektronický relaxační proces je jediný proces, který se vyskytuje v P-terfenylu. Navíc, pomocí dielektrické analýzy, byli schopni ukázat, že materiál je souvislé a neporušené, což znamená, že neexistují žádné hranice zrn v polymeru, s pouze nepatrné množství nečistot a porucha koncentrace. Kromě toho jsou hodnoty dielektrické konstanty P-terfenylu velmi vysoké ve srovnání s jinými organickými polymery . Tyto vysoké hodnoty ovlivňují dobu odezvy zařízení, jako jsou solární články.

V této knize, dielektrické vlastnosti (permitivita a dielektrické ztráty) a elektrické vlastnosti (ac vodivost a elektrický modul) poly(ethylcarbazole) a P-terfenyl jako kopolymeru byly studovány jako funkce teploty a frekvence. Silnou závislost a korelace mezi povahou materiálu, struktura a dielektrické vlastnosti jsou nalezeny, a proto jsme se prozkoumat naše kopolymeru struktury pomocí X-ray difrakce technika jako počáteční krok, který nám umožní získat vhled do morfologii materiálu. Pak jsme vyhodnotili reálné a imaginární částí dielektrické konstanty, stejně jako elektrické vlastnosti v teplotním rozmezí od R. T = 30°C až 120°C a rozsahu frekvencí od 1 kHz do 2 MHz. Různé získané výsledky jsou diskutovány podle několika teoretických modelů pro určení nejvhodnějšího modelu pro interpretaci experimentálních měření pro PEcbz-Ter.

2. Experimentální Detaily

Dielektrické charakterizace byla provedena na uzemněné prášek ethylcarbazole-na základě materiálů, které byly lisovány na hydraulickém lisu pod ∼50 MPa tvořit pelety s tvar disku. Povrch pelety je vyleštěn do sucha a metalizované tenkou vrstvu stříbrné pasty s cílem získat dvě paralelní desky, pelety měla stejný poloměr jako elektrody, které jsou 12 mm v kruhový tvar disku, a do tloušťky 1,75 mm. Skutečný () a imaginární () částí permitivity této sloučeniny se měří ve frekvenci 1 kHz–2 MHz a teploty se pohybují od R. T 120°C pomocí komplexní impedanční spektroskopické techniky.

3. Teoretické Pozadí

real () a imaginární () částí permitivity materiálu byly vypočteny pomocí následujících vzorců:kde je kapacita vzorku, d je tloušťka disku, S je plocha elektrod, a = 8.85 × F/m je permitivita volné místo. Kapacita () a ztrátový faktor (nebo D) lze získat přímo z měření. Amplituda STŘÍDAVÉHO elektrického signálu aplikované na vzorky byl 1. V.

vodivost údaje byly získány pomocí následujícího vztahu :

AC vodivost souvisí také frekvence jako :kde A je konstanta, ω je úhlová frekvence, a y je exponent, který je obecně méně než nebo rovno jedné. Hodnota a chování exponentu“ s “ versus teplota a / nebo frekvence určují převládající vodivý mechanismus dominantní v materiálu. Podle hodnoty s a chování bylo zjištěno několik teoretických modelů, které vysvětlují mechanismus vedení materiálů (QMT, SPT,LPT a CBH). V kvantovém tunelovacím modelu (QMT) se předpokládá, že „s“ je závislé na frekvenci, ale nezávislé na teplotě. V případě malého modelu tunelování polaronu (SPT) se předpokládá, že se „s“ zvýší se zvyšující se teplotou. Ve velkých polaronový tunelování (LPT) , „s“ by měl být teplotně a frekvenčně závislé, a v korelaci bariéra-hopping CBH model předpokládaného jako oba teplotně a frekvenčně závislé a „s“ by měl klesat s rostoucí teplotou.

V CBH, „s“ se vypočte pomocí následujícího vzorce:, kde je Boltzmannova konstanta, je maximální výška bariéry, a je charakteristický relaxační čas a je v řádu atomových vibrací v období s .

Této rovnice lze aproximovat získat

Podle tohoto CBH model, vodivost může být vyjádřen, kde N je hustota lokalizována státy, na které dopravci existuje, je dielektrická konstanta materiálu, a je poskakování vzdálenost a vzhledem k tomu, jak

Dielektrické relaxační mechanismus lze získat z vrcholu dielektrické ztráty (), komplexní impedance, a elektrický modul. V případě nepřítomnosti dobře definovaného píku (ω) byla reprezentace dielektrického modulu použita k pochopení a analýze fenoménu relaxace v dielektrických materiálech. Tento parametr lze definovat jako

4. Výsledky a diskuse

4.1. Rentgenová difrakce

rentgenová difrakční (XRD) spektra monomerů a syntetizovaného kopolymeru PEcbz-Ter jsou znázorněny na obrázku 1. Na diffractogram studoval kopolymeru PEcbz-Ter má charakteristické píky obou monomerů ethylcarbazole (Ecbz) a terfenyly (Ter), jako jsou ty, které se nachází v 2θ = 19.1°, 23°, 25° a 2θ = 6.48°, 13.1°, 20.35°, 28°, 37.58°, respektive. Většina těchto vrcholů je výrazně zesílena, což odráží novou morfologii kopolymeru. Existence jemných a intenzivních vrcholů odráží strukturální pořadí v kopolymeru, a tedy i existenci krystalických oblastí. Zmizení pro kopolymer vrcholy ethylcarbazole (Ecbz), zejména v rozmezí 2θ mezi 10° a 25° vysvětluje nová struktura kopolymeru získaného, které nemusí nutně odpovídat přítomnost dvou fází (ethylcarbazole a terfenyl).

Obrázek 1
X-ray difrakce vzory terfenyl (Ter), P-ethylcarbazole (PEcbz), a PEcbz-Ter kopolymeru.

4.2. Dielektrická konstanta

výsledky dielektrické konstanty pro kopolymer PEcbz-Ter s ω při různých teplotách jsou znázorněny na obrázku 2. Ukazuje, že dielektrická konstanta klesá se zvyšující se frekvencí a zvyšuje se zvyšujícími se teplotami při nízkých frekvencích. Stejné chování pozorují El-Nahass et al. pro p-N,N dimethylaminobenzylidenemalononitril (DBM) organické barvivo. Je možné poznamenat, že při frekvencích nad 10 kHz je permitivita slabě závislá na frekvenci/teplotě. Při nízkých frekvencích reagují nosiče náboje rychleji s externě aplikovaným elektrickým polem, což má za následek vyšší hodnotu . Při vyšších frekvencích nejsou nosiče náboje schopny sledovat rychlé změny v aplikovaném elektrickém poli, což má za následek nízké hodnoty . Snížení dielektrické konstanty s aplikovanou frekvencí pole lze vysvětlit na základě několika typů polarizace (iontová, orientační a elektronická). Iontová polarizace způsobená aplikací elektrického pole na materiál indukuje posun kladných iontů vzhledem k záporným iontům. Tato polarizace zasahuje pro frekvence nižší než terahertz. K polarizaci orientace dochází až do frekvencí mezi 1 kHz a 1 MHz a souvisí se strukturou materiálu. Pod aplikovaným polem jsou trvalé dipóly molekul orientovány ve směru pole. Elektronická polarizace je způsobena posunem elektronového oblaku atomu vzhledem k jeho jádru. Poslední, elektronová polarizace je způsobena relativním posunem jádra atomu vzhledem ke všem elektronům, které ho obklopují. Tento typ polarizace je vytvořen ve velmi krátkém čase a zůstává citlivý až na frekvence přesahující frekvence viditelného světla (1015 Hz). Orientační polarizace je převládající, protože ve srovnání s jinými polarizacemi vyžadovala delší dobu. Proto hodnota dielektrické konstanty klesá a dosahuje konstantní hodnoty při vyšší frekvenci odpovídající mezifázové polarizaci. Zvýšení pozorovaných hodnot s teplotou je způsobeno příspěvkem nosičů náboje k polarizaci. Při nízkých teplotách je polarizace slabá kvůli neschopnosti dipólů dostatečně rychle rotovat; proto oscilují za polem. Zvýšení teploty vede k dostatečné tepelné excitační energii získané vázanými nosiči náboje, které zvyšují polarizaci vedoucí ke zvýšení dielektrické konstanty. Tabulka 1 ukazuje hodnoty dielektrické konstanty našeho kopolymeru ve srovnání s jinými hodnotami v literatuře. Dielektrická konstanta je vyšší než u mnoha jiných aromatických organických polymerů, což z ní činí dobrý polovodičový materiál. Ve stejnou dobu, tyto hodnoty jsou nízké ve srovnání s výsledky zaznamenanými v. To má za následek zkrácení doby odezvy.

Obrázek 2
Dielektrická konstanta vs. frekvence PEcbz-Ter při různých teplotách.

4.3. Dielektrická ztráta

imaginární část permitivity jako funkce frekvence při různých teplotách vypočtená pomocí rovnice (1) je znázorněna na obrázku 3. Chování dielektrických ztrát je podobný reálné části permitivity, anomálie, výjimka při pokojové teplotě, která nemá v současné době zřejmé původu. Získaná dielektrická ztráta se zvyšuje se zvyšující se teplotou a má rychlý pokles při nízkých frekvencích, zatímco je téměř nezávislá na vysokých frekvencích. Na obrázku 3, chování ztráty faktoru jako funkce frekvence lze vysvětlit skutečností, že ionty migrují uvnitř materiálu při nízkých frekvencích. Hodnoty dielektrické ztráty při středních frekvencích jsou způsobeny příspěvkem iontového skoku a vodivou ztrátou migrace iontů, jakož i ztrátou polarizace iontů. Při vysoké frekvenci mohou být iontové vibrace jediným zdrojem dielektrické ztráty, takže jsou nezávislé na frekvenci.

jinak se ztrátový faktor snižuje s rostoucí frekvencí a vyjadřuje se takto podle modelu CBH: kde je konstanta a m je frekvenční účiník.

ze zápletky vs. ln (ω), můžeme vypočítat faktor m a má být záporný sklon čar znázorněných na obrázku 3 (b). Podle Guintini modelu , rovnice (9), m klesá s rostoucí teplotou, a to je jasně vidět v vsazení Obrázku 3(b).

ztráty, které jsou přičítány vedení, pravděpodobně zahrnují migraci iontů na velké vzdálenosti. Tento pohyb je stejný jako pohyb, který se vyskytuje za stejnosměrných podmínek. Ionty skáčou přes nejvyšší bariéry v síti. Jak se ionty pohybují, dávají část své energie mřížce jako teplo, což představuje rozptyl elektrické energie jako teplo.

4.4. Vodivost střídavého proudu

frekvenční závislost vodivosti střídavého proudu se získá rovnicí (2). Graf vodivosti jako funkce frekvence v rozsahu 1 kHz až 2 MHz při různých teplotách je znázorněn na obrázku 4(a). Jak bylo uvedeno, chování, které následuje po našem kopolymeru, se zvyšuje s rostoucí frekvencí. Zvýšení vodivosti lze s jistotou připsat skokovému mechanismu, který se objeví použitím elektrického pole. To lze potvrdit studiem chování frekvenčního exponentu v rovnici (2). Hodnoty „s“ se počítají ze sklonu lineárního vs., jak je znázorněno na obrázku 5. Exponent klesá se zvyšující se teplotou; proto je mezi všemi modely diskutovanými v teoretickém pozadí CBH vhodným modelem pro vedení v našem materiálu. Použitím hodnot „s“ v rovnici (4) získáme bariéru výnosového potenciálu, = 0,27 eV.

obrázek 5
exponenty s jako funkce teploty.

Obrázek 4(b) ukazuje variantu AC vodivosti jako funkce teploty na několika frekvencích; je jasné, že existuje lineární vztah mezi a inverzní teplota. Jak teplota stoupá, AC vodivost se zvyšuje také vzhledem k vodíku pevnost vazby v molekulách, který je ovlivněn teplotou a vede k pohybu tepelně nadšený, že dopravci z energetické hladiny v pásmu mezera.

Jsme zprávu v Tabulce 1, hodnoty AC vodivost při několika teplotách a frekvencích pro srovnání s jinými hodnot uváděných v literatuře. Nový parametr jsme definovali jako hodnotu merit F související s dobou odezvy, která představuje vztah mezi dielektrickou permitivitou a vodivostí střídavého proudu. Čím vyšší je jeho hodnota, tím více vhodný materiál pro solární aplikace:

Z Tabulky 1, můžeme si všimnout, že F pro PEcbz-Ter má nejvyšší hodnotu u. R. T. rovnými liniemi s inverzní teplotě podle Arrheniovy rovnice:kde je preexponenciální konstanta a je aktivační energie. Hodnoty aktivační energie našeho vzorku vypočtené jako funkce frekvence ze sklonu přímek jsou vyneseny na obrázku 4(b) a znázorněny na obrázku 6. Aktivační energie klesá s rostoucí frekvencí; to by mohlo být způsobeno aplikovanou frekvencí pole, která zvyšuje elektronické skoky mezi lokalizovanými stavy. To potvrzuje, že poskakovací mechanismus řídí transportní mechanismus.

obrázek 6
aktivační energie vs. frekvence PEcbz-Ter.

4.5. Analýza elektrického modulu

komplexní dielektrický modul je získán z rovnice (7) a je znázorněn na obrázku 7(a). Z obrázku pozorujeme, že Mr dosahuje maximálních hodnot při vysokých frekvencích v důsledku relaxačního procesu a blíží se k nule při nízkých frekvencích kvůli nedostatku elektrické polarizace. Výsledky ukázaly, že dielektrické modul má reverzní frekvenci chování ve srovnání s dielektrickou konstantou při teplotě místnosti, v vsazení Obrázku 7(a), jak si můžeme všimnout z obrázku permitivita klesá s frekvencí, zatímco elektrický modul pružnosti se zvyšuje.

imaginární část modulu jako funkce frekvence při několika vybraných teplotách je znázorněna na obrázku 7(b). Zde prezentovaná analýza Mim naznačuje vzhled dielektrického relaxačního vrcholu při nízkých frekvencích a zůstává konstantní se zvyšující se teplotou. Toto chování je podobné a pozorované v předchozích dílech . Hodnoty nižší než maximální peak jsou určeny nosiče náboje, které se pohybují na dlouhé vzdálenosti, vzhledem k tomu, že dopravci jsou omezeny na potenciální wells je mobilní na krátké vzdálenosti, určit hodnoty výše maximální vrchol.

5. Závěr

permitivita, dielektrické ztráty, střídavá vodivost a elektrický modul PEcbz-Ter byly zkoumány ve frekvenčním rozsahu 1 kHz–2 MHz a teploty se pohybují od R. T 120°C. X-ray bylo provedeno a ukazuje, krystalické regiony v naší polymeru. Skutečná část dielektrické konstanty má silnou závislost frekvence/teploty při vysokých frekvencích, pokles se zvyšující se frekvencí, zatímco nárůst se zvyšující se teplotou při nízké frekvenci. Imaginární část dielektrické konstanty vykazuje podobné chování jako funkce teploty a frekvence. Dielektrická ztráta se zvyšuje s rostoucí teplotou a hodnoty jsou pod 1%, což činí kopolymer vhodným pro mnoho aplikací pro ukládání energie. Zdá se, že vodivost střídavého proudu se zvyšuje se zvyšující se frekvencí a s rostoucí teplotou klesá. Vhodným modelem pro byl model correlated barrier-hopping (CBH). Aktivační energie klesá s rostoucí frekvencí. Tyto výsledky jsou slibné v porovnání s ostatními v literatuře; to by mohlo být zneužita, aby prošetřila více v dielektrické a elektrické vlastnosti organických materiálů.

dostupnost dat

experimentální data použitá na podporu zjištění této studie budou k dispozici na vyžádání.

střet zájmů

autoři nehlásí žádný střet zájmů.

potvrzení

Napsat komentář

Vaše e-mailová adresa nebude zveřejněna.