Abstrakti

irtotavarana olevan etyylikarbatsoliterfenyylin (PEcbz-Ter) sähköisiä ja dielektrisiä ominaisuuksia on tutkittu taajuusalueella 1 kHz-2 MHz ja lämpötila-alueella (R. T–120°C). Kopolymeerille PEcbz-Ter oli ominaista Röntgendiffraktio. Dielektrisen vakion () ja dielektrisen häviön () taajuusriippuvuutta on tutkittu kompleksisen permittiivisyyden avulla. of kopolymeeri vähenee yhä useammin ja kasvaa lämpötilan. AC-johtavuusdataa () analysoitiin universaalivoimalain avulla. Käyttäytyminen kasvaa lämpötilan ja taajuuden kasvaessa. Taajuuden eksponentin (t) muutosta lämpötilan kanssa analysoitiin erilaisten johtumismekanismien avulla, ja havaittiin, että korreloiva estehyppelymalli on vallitseva johtumismekanismi. Sähkömoduulin avulla analysoitiin materiaalin relaksaatioilmiötä.

1. Johdanto

orgaaniset johtavat ja puolijohdemateriaalit ovat nousemassa tulevaisuuden elektroniikan keskeisiksi materiaaleiksi. Orgaanisella elektroniikalla on kaksi merkittävää etua klassisiin epäorgaanisiin puolijohteisiin verrattuna. Toisaalta ne mahdollistavat laitteiden suunnittelun joustaville alustoille, mikä tarjoaa laajan valikoiman uusia sovelluksia, jotka edellyttävät tukien joustavuutta . Toisaalta kustannukset ovat pienemmät kuin epäorgaanisissa puolijohteissa. Näitä materiaaleja, esimerkiksi polymeerejä, voidaan käyttää laajasti erilaisissa sovelluksissa , kuten aurinkosähkölaitteissa , kenttäefektitransistoreissa , valodiodeissa ja kapasitiivisessa energian varastoinnissa .

näiden kokoonpanojen johtavuusominaisuudet riippuvat kahdesta ensisijaisesta muuttujasta, jotka ovat polymeerin varausten kuljetuksen tehokkuus ja ketjujen välisen kuljetuksen tehokkuus. Jälkimmäinen edustaa usein suorituskykyä rajoittavaa parametria ja sitä kautta erilaisiin sovelluksiin suunniteltujen polymeerien käyttöä. Viime aikoina on kehitetty erilaisia esimerkkejä π-konjugoituneisiin selkärankoihin perustuvista polymeereistä . Π-konjugaatit edustavat delokalisaatiota eli toisin sanoen elektronien liikkuvuutta polymeerin selkärankaa pitkin. Konjugoituneissa systeemeissä, joissa on vuorotellen kaksoissidoksia, elektronitiheys delokalisoituu ja johtaa yleensä molekyylin stabiloitumiseen. Π-elektronien liikkuvuus vaikuttaa tärkeisiin fysikaalisiin ominaisuuksiin sekä aromaattisten yhdisteiden kemiallisiin ominaisuuksiin .

Poly(Etyylikarbatsoli) on π-konjugoidulla rakenteella toimiva johtava polymeeri, jota on tutkittu ja käytetty laajalti aurinkosähkö-ja elektroluminesenssilaitteissa sen erinomaisen lämpöstabiilisuuden ja elektronisten ominaisuuksien vuoksi . Tällä polymeerillä on alhainen dielektrisyysvakio laajalla lämpötila-alueella ja taajuudella. Näitä matalia ominaisuuksia voidaan parantaa sen sovelluskenttien laajentamiseksi. Poly(etyylikarbatsoli) muuntamisessa suureksi K-materiaaliksi käytettiin P-terfenyyliä rakennusaineena sen kemiallisen stabiilisuuden ja suuren dielektrisyysvakion vuoksi . Molemmat materiaalit voidaan tehdä sopivana valintana sähköisten ominaisuuksien tutkimiseen. Dielektrisiin tutkimuksiin perustuvat teoreettiset ja kokeelliset lähestymistavat voivat antaa tärkeää tietoa, jota voidaan käyttää ymmärtämään dielektristä polarisaatiota, dielektrisiä häviöitä ja varauskantajien käyttäytymistä polymeereissä . Dielektriset ominaisuudet ovat arvokkaan tiedon lähde ionien, atomien ja molekyylien sähköisistä ominaisuuksista ja ennen kaikkea niiden käyttäytymisestä materiaaleissa. Selvakumar ym. ilmoitti, että elektroninen relaksaatioprosessi on ainoa prosessi, joka tapahtuu P-terfenyylissä. Lisäksi dielektrisen analyysin avulla he pystyivät osoittamaan, että materiaali on jatkuvaa ja katkeamatonta, mikä tarkoittaa, että polymeerissä ei ole raerajoja, joissa on vain vähän epäpuhtautta ja virhepitoisuuksia. Lisäksi P-terfenyylin dielektrisyysvakioarvot ovat hyvin korkeat verrattuna muihin orgaanisiin polymeereihin . Nämä korkeat arvot vaikuttavat laitteiden, kuten aurinkokennojen, vasteaikaan.

tässä paperissa on tutkittu Poly (etyylikarbatsolin) ja P-terfenyylin kopolymeerinä dielektrisiä ominaisuuksia (dielektrisyysvakio ja dielektrinen häviö) ja sähköisiä ominaisuuksia(vaihtovirtajohtavuus ja sähkökimmokerroin) lämpötilan ja taajuuden funktiona. Materiaalirakenteen luonteen ja dielektristen ominaisuuksien välillä on vahva riippuvuus ja korrelaatio, ja siksi tutkimme kopolymeerirakennettamme Röntgendiffraktiotekniikalla ensimmäisenä askeleena, jolloin voimme saada käsityksen materiaalin morfologiasta. Sitten arvioimme dielektrisyysvakion todellisia ja kuvitteellisia osia sekä sähköisiä ominaisuuksia lämpötila-alueella R. T = 30°C-120°C ja taajuusalueella 1 kHz-2 MHz. Eri saadut tulokset käsitellään useiden teoreettisten mallien mukaisesti, jotta voidaan määrittää sopivin malli pecbz-Ter: n kokeellisten mittausten tulkintaan.

2. Experimental Details

Dielektrinen karakterisointi suoritettiin maadoitetulla etyylikarbatsolipohjaisista materiaaleista valmistetulla jauheella, jota puristettiin hydraulisella puristimella alle ∼50 MPa: n avulla pelletin muodostamiseksi levyn muotoon. Pelletin pinta on hyvin kiillotettu kuiviin ja metalloitu ohuella hopeatahnakerroksella kahden yhdensuuntaisen levyn saamiseksi; pelletin säde oli sama kuin elektrodeilla, jotka ovat 12 mm pyöreässä levyn muodossa ja paksuus on 1,75 mm. Tämän yhdisteen permittiivisyyden reaaliset () ja imaginaariset () osat mitataan taajuudella 1 kHz–2 MHz ja lämpötila-alueella R. T-120°C käyttäen kompleksiimpedanssispektroskooppista tekniikkaa.

3. Teoreettinen tausta

materiaalin permittiivisyyden reaaliset () ja imaginaariset () osat laskettiin seuraavin kaavoin:missä on näytteen kapasitanssi, d on levyn paksuus, S On elektrodien pinta-ala ja = 8,85 × F/m on vapaan tilan permittiivisyys. Kapasitanssi () ja häviökerroin (tai D) saadaan suoraan mittauksista. Näytteisiin kohdistetun VAIHTOVIRTASÄHKÖSIGNAALIN amplitudi oli 1 V.

johtavuustiedot saatiin käyttämällä seuraavaa relaatiota:

VAIHTOVIRTASÄHKÖ liittyy myös taajuuteen seuraavasti: missä A on vakio, ω on kulmataajuus ja s on eksponentti, joka yleensä on pienempi tai yhtä suuri kuin yksi. Eksponentin ”s” arvo ja käyttäytyminen suhteessa lämpötilaan ja/tai taajuuteen määräävät materiaalissa vallitsevan johtumismekanismin. S: n ja käyttäytymisen arvon mukaan on löydetty useita teoreettisia malleja selittämään materiaalien johtumismekanismia (QMT, SPT, LPT ja CBH). Kvanttitunnelointimallissa (QMT) ”s” oletetaan olevan taajuusriippuvainen mutta lämpötilariippumaton. Pienen polaronin tunnelointimallin (SPT) tapauksessa ”s”: n ennustetaan kasvavan lämpötilan noustessa. Suuressa polaronitunneloinnissa (LPT) ”s”: n tulee olla sekä Lämpötila – että taajuusriippuvainen, ja korreloivassa estehyppelyssä CBH-mallin ennakoidaan olevan sekä Lämpötila-että taajuusriippuvainen ja ”s”: n tulee laskea lämpötilan noustessa.

CBH :ssa ”s” lasketaan seuraavalla kaavalla: missä on Boltzmannin vakio, on esteen suurin korkeus ja on ominaisrelaksaatioaika ja on atomivärähtelyn mukaisessa järjestyksessä periodilla s .

tätä yhtälöä voidaan approksimoida siten, että saadaan

tämän CBH-mallin mukaan johtavuus voidaan ilmaista siten, että n on niiden paikallisten tilojen tiheys, joissa kantajia on, on materiaalin dielektrisyysvakio ja on hyppyetäisyys ja annetaan

dielektrisen relaksaatiomekanismin voi saada dielektrisen häviön (), impedanssikompleksin ja sähkökimmomoduulin huipusta. Kun kyseessä ei ole hyvin määritelty huippu (ω), dielektrisen moduulin esitys käytettiin ymmärtämään ja analysoimaan ilmiö rentoutumista dielektristen materiaalien. Tämä parametri voidaan määritellä seuraavasti:

4. Tulokset ja keskustelu

4. 1. Röntgendiffraktio

monomeerien Röntgendiffraktiospektrit (XRD) ja syntetisoitu PEcbz-Ter-kopolymeeri on esitetty kuvassa 1. Tutkitun kopolymeerin PEcbz-Ter diffraktogrammissa on sekä etyylikarbatsolin (Ecbz) että terfenyylin (Ter) monomeerien tyypilliset piikit, kuten 2θ = 19.1°, 23°, 25° ja 2θ = 6.48°, 13.1°, 20.35°, 28°, 37.58°, vastaavasti. Suurin osa näistä piikeistä voimistuu selvästi, mikä heijastaa kopolymeerin uutta morfologiaa. Hienojen ja intensiivisten huippujen olemassaolo kuvastaa kopolymeerin rakenteellista järjestystä ja siten kiteisten alueiden olemassaoloa. Erityisesti etyylikarbatsolin (Ecbz) piikkien häviäminen kopolymeerille 2θ välillä 10° ja 25° selittää saadun kopolymeerin uuden rakenteen, joka ei välttämättä vastaa kahden faasin (etyylikarbatsolin ja terfenyylin) esiintymistä.

Kuva 1
Terfenyylin (Ter), P-etyylikarbatsolin (PEcbz) ja PEcbz-Ter-kopolymeerin Röntgendiffraktiomallit.

4.2. Dielektrisyysvakio

Pecbz-Ter-kopolymeerin dielektrisyysvakion tulokset ω: n kanssa eri lämpötiloissa esitetään kuvassa 2. Se osoittaa, että dielektrisyysvakio pienenee taajuuden kasvaessa ja kasvaa lämpötilan noustessa matalilla taajuuksilla. Samaa käyttäytymistä havainnoivat El-Nahass et al. P-N, N dimetyyliaminobentsylideenimalononitriili (DBM) orgaaninen väriaine. Voidaan todeta, että yli 10 kHz: n taajuuksilla permittiivisyys on heikosti taajuus-/lämpötilariippuvaista. Matalilla taajuuksilla varauskantajat reagoivat nopeammin ulkoisesti sovelletun Sähkökentän kanssa, jolloin niiden arvo on suurempi . Korkeammilla taajuuksilla, maksu harjoittajat eivät pysty seuraamaan nopeita muutoksia sovelletun Sähkökentän, jolloin alhaiset arvot . Dielektrisyysvakion väheneminen sovelletulla kenttätaajuudella voidaan selittää useiden polarisaatiotyyppien (ioninen, orientaatio ja elektroninen) perusteella. Sähkökentän vaikutuksesta materiaaliin johtuva ionipolarisaatio indusoi positiivisten ionien siirtymän suhteessa negatiivisiin ioneihin. Tämä polarisaatio puuttuu terahertsiä pienemmille taajuuksille. Suuntapolarisaatio tapahtuu 1 kHz: n ja 1 MHz: n välisille taajuuksille asti ja se liittyy materiaalin rakenteeseen. Sovelletun kentän alla molekyylien pysyvät dipolit suuntautuvat kentän suuntaan. Elektroninen polarisaatio johtuu atomin elektronipilven siirtymisestä sen ytimeen nähden. Viimeinen, elektronipolarisaatio johtuu atomin ytimen suhteellisesta siirtymisestä suhteessa kaikkiin sitä ympäröiviin elektroneihin. Tällainen polarisaatio syntyy hyvin lyhyessä ajassa ja pysyy herkkänä jopa näkyvän valon taajuuksia ylittäville taajuuksille (1015 Hz). Suuntapolarisaatio on yleistä, koska se vaati pidemmän ajan muihin polarisaatioihin verrattuna. Siksi dielektrisyysvakion arvo pienenee saavuttaen vakioarvon korkeammalla taajuudella, joka vastaa interfacial-polarisaatiota. Lämpötilan kanssa Havaittujen arvojen nousu johtuu varauskantajien osuudesta polarisaatioon. Matalissa lämpötiloissa polarisaatio on Heikkoa johtuen dipolien kyvyttömyydestä pyöriä tarpeeksi nopeasti; siksi ne värähtelevät kentän takana. Lämpötilan nousu johtaa sidottujen varauskantajien saamaan riittävään lämpöviritysenergiaan, joka parantaa dielektrisyysvakion kasvuun johtavaa polarisaatiota. Taulukossa 1 esitetään kopolymeerimme dielektrisyysvakion arvot verrattuna muihin kirjallisuudessa oleviin arvoihin. Dielektrisyysvakio on suurempi kuin monilla muilla aromaattisilla orgaanisilla polymeereillä, mikä tekee siitä hyvän puolijohdemateriaalin. Samaan aikaan, nämä arvot ovat alhaiset verrattuna tulokset kirjataan . Tällöin vasteaika lyhenee.

kuva 2
Dielektrisyysvakio vs. pecbz-Ter-taajuus eri lämpötiloissa.

4.3. Dielektrinen häviö

permittiivisyyden imaginaariosa taajuuden funktiona eri lämpötiloissa laskettuna yhtälöllä (1) on esitetty kuvassa 3. Dielektrisen häviön käyttäytyminen on samanlainen kuin permittiivisyyden todellinen osa, poikkeuksena anomalia huoneenlämpötilassa, jolla ei tällä hetkellä ymmärretä alkuperää. Saatu Dielektrinen häviö kasvaa lämpötilan noustessa ja on nopea lasku matalilla taajuuksilla samalla kun se on lähes riippumaton korkeilla taajuuksilla. Kuviossa 3 tekijän häviökäyttäytyminen taajuuden funktiona voidaan selittää sillä, että ionit vaeltavat materiaalin sisällä matalilla taajuuksilla. Dielektrisen häviön arvot kohtalaisilla taajuuksilla johtuvat ionihypyn ja ionin migraation johtumishäviön vaikutuksesta sekä ionipolarisaatiohäviöstä. Korkealla taajuudella ionivärähtely voi olla ainoa dielektrisen häviön lähde, joten se on taajuudesta riippumaton.

eri tavoin häviökerroin pienenee taajuuden kasvaessa ja ilmaistaan CBH-mallin mukaan seuraavasti:missä on vakio ja M on taajuuden tehokerroin.

juonesta vs. Ln (ω), voimme laskea tekijä m ja sen oletetaan olevan negatiivinen kaltevuus linjojen kuvassa 3(b). Guintinin mallin, yhtälön (9), mukaan m pienenee lämpötilan noustessa, ja se näkyy selvästi pikkukuvassa 3(b).

johtumisesta johtuvat häviöt liittyvät oletettavasti ionien siirtymiseen suurilla etäisyyksillä. Tämä liike on sama kuin DC-olosuhteissa. Ionit hyppäävät verkon korkeimpien esteiden yli. Liikkuessaan ionit antavat osan energiastaan hilalle lämpönä, mikä selittää sähköenergian häviämisen lämpönä.

4.4. VAIHTOVIRTAJOHTAVUUS

VAIHTOVIRTAJOHTAVUUDEN taajuusriippuvuus saadaan yhtälöllä (2). Kuviossa 4(a) esitetään kuvaaja johtavuudesta taajuusalueella 1 kHz-2 MHz eri lämpötiloissa. Kuten todettiin, käyttäytyminen, joka seuraa meidän kopolymeeri kasvaa yhä useammin. Johtavuuden lisääntyminen voidaan luottavaisesti katsoa johtuvan hyppymekanismista, joka ilmestyy sähkökentän avulla. Tämä voidaan vahvistaa tutkimalla taajuuden eksponentin käyttäytymistä yhtälössä (2). Arvot ” s ” lasketaan lineaarisen vs. kaltevuudesta , kuten kuvassa 5 esitetään. Eksponentti pienenee lämpötilan kasvaessa; siksi kaikkien teoreettisessa taustassa käsiteltyjen mallien joukossa CBH on sopiva malli materiaalimme johtumiselle. Käyttämällä ”S”: n arvoja yhtälössä (4) saadaan myötöpotentiaalin este, = 0,27 eV.

kuva 5
eksponentti s lämpötilan funktiona.

Kuva 4 (b) osoittaa vaihtovirta johtavuus funktiona lämpötilan useilla taajuuksilla; on selvää, että on olemassa lineaarinen suhde ja käänteinen lämpötila. Lämpötilan noustessa VAIHTOVIRTAJOHTAVUUS kasvaa myös molekyylien vetysidoksen lujuuden vuoksi, johon lämpötila vaikuttaa ja johtaa lämpöjännitteisten kantajien liikkeisiin energiatasoista kaistavajeen sisällä.

raportoimme taulukossa 1 VAIHTOVIRTAJOHTAVUUDEN arvot useissa lämpötiloissa ja taajuuksissa verrattaessa niitä muihin kirjallisuudessa ilmoitettuihin arvoihin. Olemme määritelleet uuden parametrin kuin luku ansioiden F liittyvät vasteaika, joka edustaa suhdetta dielektrisen permittiivisyys ja AC johtavuus. Mitä suurempi sen arvo, sitä sopivampi materiaali aurinkokennosovelluksiin:

taulukosta 1 voimme huomata, että F for PEcbz-Ter on korkein arvo R. T. suorat linjat kanssa käänteislämpötilan seuraa Arrheniuksen yhtälö:missä on pre-eksponentiaalinen vakio ja on aktivointienergia. Näytteen aktivointienergian arvot, jotka on laskettu taajuuden funktiona suorien kaltevuudesta, piirretään Kuvassa 4 (b) ja esitetään kuvassa 6. Aktivointienergia vähenee taajuuden kasvaessa; tämä voi johtua sovelletusta kenttätaajuudesta, joka tehostaa elektronisia hyppyjä paikallisten tilojen välillä. Tämä vahvistaa, että hyppymekanismi ohjaa siirtomekanismia.

kuva 6
Aktivaatioenergia vs. pecbz-Ter: n esiintymistiheys.

4.5. Sähköinen Modulusanalyysi

kompleksinen Dielektrinen moduuli saadaan yhtälöstä (7) ja se on kuvattu kuvassa 7(a). Kuvasta huomaamme, että Mr saavuttaa maksimiarvot korkeilla taajuuksilla rentoutumisprosessin vuoksi, ja se lähestyy nollaa matalilla taajuuksilla sähköisen polarisaation puutteen vuoksi. Tulokset osoittivat, että Dielektrinen moduuli on käänteinen taajuus käyttäytyminen verrattuna dielektrisyysvakio huoneenlämmössä pikkukuvassa 7(a), kuten voimme huomata kuvasta dielektrisyysvakio pienenee taajuuden, kun taas sähköinen moduuli kasvaa.

kuviossa 7(b) on esitetty kuviossa 7 (b) kuviomoduulin imaginaariosa taajuuden funktiona muutamissa valituissa lämpötiloissa. Tässä esitetty analyysi Mim viittaa ulkonäkö dielektrisen relaksaation huippu matalilla taajuuksilla ja pysyy vakiona lämpötilan noustessa. Tämä käyttäytyminen on samanlaista ja havaittu aiemmissa teoksissa . Enimmäishuipun alapuolella olevat arvot määräytyvät pitkän kantaman etäisyyksillä liikkuvien varauskantajien mukaan, kun taas lyhyillä etäisyyksillä liikkuvat kantajat rajoittuvat potentiaalisiin kaivoihin, jotka määrittävät enimmäishuipun yläpuolella olevat arvot.

5. Päätelmä

Pecbz-Ter: n Dielektrisyysvakio, Dielektrinen häviö, VAIHTOVIRTAJOHTAVUUS ja sähkömoduuli tutkittiin taajuusalueella 1 kHz–2 MHz ja lämpötila-alueella R. T-120°C. röntgen on tehty ja siinä näkyy kiteisiä alueita polymeerissämme. Dielektrisyysvakion todellinen osa on vahva taajuus / lämpötilariippuvuus korkeilla taajuuksilla, lasku lisääntyvällä taajuudella, kun taas nousu lämpötilan kasvaessa matalalla taajuudella. Dielektrisyysvakion imaginaariosa osoittaa samanlaista käyttäytymistä lämpötilan ja taajuuden funktiona. Dielektrinen häviö kasvaa lämpötilan noustessa, ja arvot ovat alle 1%, Mikä tekee kopolymeeristä sopivan moniin energian varastointisovelluksiin. VAIHTOVIRTAJOHTAVUUS näyttää lisääntyvän taajuuden kasvaessa ja laskevan syntyvän lämpötilan myötä. Sopiva malli oli correlated barrier-hopping (CBH) – malli. Aktivointienergia vähenee kiihtyvällä tahdilla. Nämä tulokset ovat lupaavia verrattuna muihin kirjallisuudessa; tätä voitaisiin hyödyntää tutkia enemmän dielektrisiä ja sähköisiä ominaisuuksia orgaanisten materiaalien.

tietojen saatavuus

tämän tutkimuksen tulosten tueksi käytetyt kokeelliset tiedot toimitetaan pyynnöstä saataville.

eturistiriidat

kirjoittajat ilmoittavat, ettei eturistiriitoja ole.

kuittaukset

Vastaa

Sähköpostiosoitettasi ei julkaista.