absztrakt

az ömlesztett etil-karbazol–terfenil (PEcbz-Ter) elektromos és dielektromos tulajdonságait vizsgálták az 1 kHz-2 MHz frekvenciatartományban és a hőmérséklet-tartományban (R. T -120 Ft). A PEcbz-Ter kopolimert Röntgendiffrakcióval jellemeztük. A dielektromos állandó () és a dielektromos veszteség () frekvenciafüggését a komplex permittivitás alkalmazásával vizsgáltuk. a kopolimer a gyakoriság növekedésével csökken, a hőmérséklet pedig növekszik. AC vezetőképesség () az adatokat az egyetemes teljesítménytörvény elemezte. A viselkedés növekszik a hőmérséklet és a frekvencia növekedésével. A frekvenciaexponens (ek) hőmérséklethez viszonyított változását különböző vezetési mechanizmusok alapján elemeztük, és megállapítottuk, hogy a korrelált barrier-hopping modell a domináns vezetési mechanizmus. Az elektromos modulust az anyag relaxációs jelenségének elemzésére használták.

1. Bevezetés

a szerves vezető és félvezető anyagok a jövő elektronikájának kulcsfontosságú anyagai. A szerves elektronika két fő előnyt kínál a klasszikus szervetlen félvezetőkkel szemben. Egyrészt lehetővé teszik az eszközök rugalmas hordozókon történő tervezését, így új alkalmazások széles skáláját kínálják, amelyek megkövetelik a tartók rugalmasságát . Másrészt a költségek alacsonyabbak, mint a szervetlen félvezetőké. Ezek az anyagok, polimerek, például széles választékú alkalmazásokban használhatók, mint például fotovoltaikus eszközök , terepi tranzisztorok , fénykibocsátó diódákés kapacitív energiatárolás .

ezeknek a szerelvényeknek a vezetőképességi tulajdonságai két elsődleges paramétertől függenek, nevezetesen a töltések polimerben történő szállításának hatékonyságától és a láncközi szállítás hatékonyságától. Ez utóbbi gyakran a teljesítménykorlátozó paramétert képviseli, következésképpen a különböző alkalmazásokhoz tervezett polimerek használatát. A közelmúltban különböző példákat fejlesztettek ki a polimerekre, amelyek alapján a konjugált gerincek alapulnak . A konjugátumok a delokalizációt vagy más szavakkal az elektronok mobilitását képviselik a polimer gerinc mentén. A konjugált rendszerekben, amelyek váltakozó kettős kötésekkel rendelkeznek, az elektronsűrűség delokalizálódik, és általában a molekula stabilizálódásához vezet. A mobilitása a .. – elektronok hozzájárul a fontos fizikai tulajdonságokhoz, valamint az aromás vegyületek kémiai tulajdonságaihoz .

a Poli (etil-Karbazol) egy vezető polimer, amelynek konjugált szerkezete van, amelyet széles körben tanulmányoztak és használtak fotovoltaikus és elektrolumineszcens eszközökben kiváló hőstabilitása és elektronikus tulajdonságai miatt . Ez a polimer alacsony dielektromos állandót mutat a hőmérséklet és a frekvencia széles tartományában. Ezek az alacsony tulajdonságok javíthatók az alkalmazási területek kibővítéséhez. A poli(etil-karbazol) magas K anyaggá történő átalakításához a P-terfenilt használták építőelemként kémiai stabilitása és magas dielektromos állandója miatt . Mindkét anyag megfelelő választás lehet az elektromos tulajdonságok tanulmányozásához. A dielektromos vizsgálatokon alapuló elméleti és kísérleti megközelítések fontos információkkal szolgálhatnak, amelyek felhasználhatók a dielektromos polarizáció, a dielektromos veszteségek és a töltéshordozók viselkedésének megértésére a polimerekben . A dielektromos tulajdonságok értékes információk forrása az ionok, atomok és molekulák elektromos tulajdonságairól, és ami a legfontosabb, az anyagokon belüli viselkedésükről. Selvakumar et al. jelentette, hogy az elektronikus relaxációs folyamat az egyetlen folyamat, amely a P-terfenilben fordul elő. Ezenkívül a dielektromos analízis segítségével meg tudták mutatni, hogy az anyag folytonos és töretlen, ami azt jelenti, hogy a polimerben nincsenek szemcsehatárok, csak kis mennyiségű szennyeződés és hibakoncentráció van. Ezenkívül a P-terfenil dielektromos állandó értékei nagyon magasak a többi szerves polimerhez képest . Ezek a magas értékek befolyásolják az eszközök, például a napelemek válaszidejét.

ebben a tanulmányban a poli (etil-karbazol) és a P-terfenil mint kopolimer dielektromos tulajdonságait (dielektromos állandó és dielektromos veszteség) és elektromos tulajdonságait(ac vezetőképesség és elektromos modulus) vizsgálták a hőmérséklet és a frekvencia függvényében. Az Anyagszerkezet jellege és a dielektromos tulajdonságok között erős függőség és korreláció található, ezért első lépésként röntgendiffrakciós technikával vizsgáljuk kopolimer szerkezetünket, amely lehetővé teszi számunkra, hogy betekintést nyerjünk az anyag morfológiájába. Ezután értékeltük a dielektromos állandó valós és képzeletbeli részeit, valamint az elektromos tulajdonságokat az R. T = 30-120-1 kHz közötti hőmérsékleti tartományban, valamint az 1 kHz-től 2 MHz-ig terjedő frekvenciatartományban. A kapott különböző eredményeket több elméleti modell szerint tárgyaljuk, hogy meghatározzuk a PEcbz-Ter kísérleti méréseinek értelmezéséhez legmegfelelőbb modellt.

2. Kísérleti Részletek

a dielektromos jellemzést etil-karbazol alapú anyagok földelt porán hajtottuk végre, amelyeket 50 MPa alatt hidraulikus préssel préseltünk, hogy korong alakú pelletet képezzünk. A felület a pellet jól csiszolt szárazra és fémezett egy vékony réteg ezüst paszta annak érdekében, hogy két párhuzamos lemezek; a pellet volt az azonos sugarú, mint az elektródák, amelyek 12 mm kör alakú korong alakú, és a vastagsága 1,75 mm. Ennek a vegyületnek a permittivitásának valós () és képzeletbeli () részeit az 1 kHz–2 MHz frekvencián és az R. T-től 120 MHz-ig terjedő hőmérsékleti tartományban mérjük komplex impedancia spektroszkópiai technikával.

3. Elméleti háttér

az anyag permittivitásának valós () és képzeletbeli () részeit a következő képletekkel számítottuk ki:hol van a minta kapacitása, d A korong vastagsága, S az elektródák felülete, és = 8,85 Ft/m a szabad tér permittivitása. A kapacitás () és a veszteségtényező (vagy D) közvetlenül a mérésekből nyerhető. A mintákra alkalmazott váltóáramú elektromos jel amplitúdója 1 V.

a vezetőképességi adatokat a következő reláció alkalmazásával kaptuk :

az AC vezetőképesség a frekvenciához is kapcsolódik, mivel: ahol a állandó, a ^ A szögfrekvencia, és s az exponens, amely általában kisebb vagy egyenlő. Az “s” kitevő értéke és viselkedése a hőmérséklethez és/vagy a frekvenciához viszonyítva meghatározza az anyagban uralkodó vezető mechanizmust. Az s és a viselkedés értéke alapján számos elméleti modellt találtak az anyagok vezetési mechanizmusának magyarázatára (QMT, SPT, LPT és CBH). A kvantum alagútmodellben (QMT) az” s ” várhatóan frekvenciafüggő, de hőmérséklettől független. Kis polaron alagútmodell (SPT) esetén az” s ” várhatóan növekszik a hőmérséklet növekedésével. A nagy polaron alagútban (LPT) az “s” – nek Mind hőmérséklet -, mind frekvenciafüggőnek kell lennie, a korrelált barrier-hopping CBH modellben pedig várhatóan mind hőmérséklet -, mind frekvenciafüggőnek kell lennie, az “s”-nek pedig a hőmérséklet növekedésével csökkennie kell.

CBH-ban az “s” – t a következő képlet segítségével számítják ki :hol van a Boltzmann-állandó, a maximális gátmagasság, a jellemző relaxációs idő, és az S periódusban az atomi rezgés sorrendjében van .

ez az egyenlet közelíthető a

e CBH modell szerint a vezetőképesség kifejezhető hol N a lokalizált állapotok sűrűsége, ahol a hordozók léteznek, az anyag dielektromos állandója, és az ugrási távolság, és

dielektromos relaxációs mechanizmus a dielektromos veszteség () csúcsából, az impedancia komplexből és az elektromos modulusból nyerhető. Abban az esetben, ha nincs jól definiált csúcs (ONS), a dielektromos modulus ábrázolást használtuk a dielektromos anyagok relaxációs jelenségének megértésére és elemzésére. Ez a paraméter a következőképpen definiálható:

4. Eredmények és vita

4.1. Röntgendiffrakció

a monomerek és a szintetizált PEcbz-Ter kopolimer röntgendiffrakciós (XRD) spektruma az 1.ábrán látható. A vizsgált PEcbz-Ter kopolimer diffraktogramjában mind az etil-karbazol (Ecbz), mind a terfenil (Ter) monomerek jellegzetes csúcsai vannak, például azok, amelyek 2 db = 19-nél helyezkednek el.1., 23., 25., 2., 2., 2., stb., stb = 6.48°, 13.1°, 20.35°, 28°, 37.58°, illetőleg. Ezen csúcsok többsége jelentősen felerősödik, ami a kopolimer új morfológiáját tükrözi. A finom és intenzív csúcsok létezése tükrözi a kopolimer szerkezeti rendjét, és így a kristályos régiók létezését. Az etil-karbazol (Ecbz) csúcsainak kopolimerének eltűnése, különösen a 2-10-25 6 közötti tartományban, magyarázza a kapott kopolimer új szerkezetét, amely nem feltétlenül felel meg a két fázis (etil-karbazol és terfenil) jelenlétének.

1. ábra
Terfenil (Ter), P-etil-karbazol (PEcbz) és PEcbz-Ter kopolimer röntgendiffrakciós mintái.

4.2. Dielektromos állandó

a PEcbz-Ter kopolimer dielektromos állandójának eredményeit különböző hőmérsékleteken a 2. ábra szemlélteti. Ez azt mutatja, hogy a dielektromos állandó a frekvencia növekedésével csökken, az alacsony frekvenciákon pedig a hőmérséklet növekedésével növekszik. Ugyanez a viselkedés figyelhető meg El-Nahass et al. p-N, N dimetil-amino-benzilidén-malononitril (DBM) szerves festék esetében. Megjegyzendő, hogy 10 kHz feletti frekvenciákon a permittivitás gyengén frekvencia-/hőmérsékletfüggő. Alacsony frekvenciákon a töltéshordozók gyorsabban reagálnak a külsőleg alkalmazott elektromos mezővel, ami magasabb értéket eredményez . Magasabb frekvenciákon a töltéshordozók nem képesek követni az alkalmazott elektromos mező gyors változásait, ami alacsony értékeket eredményez . A dielektromos állandó csökkenése az alkalmazott térfrekvenciával többféle polarizációval magyarázható (Ionos, Orientációs és elektronikus). Az ionos polarizáció az elektromos mező anyagon történő alkalmazása miatt a pozitív ionok elmozdulását idézi elő a negatív ionokhoz képest. Ez a polarizáció beavatkozik a terahertznél alacsonyabb frekvenciákra. Az Orientációs polarizáció 1 kHz és 1 MHz közötti frekvenciáig megy végbe, és az anyag szerkezetéhez kapcsolódik. Egy alkalmazott mező alatt a molekulák állandó dipólusai a mező irányába vannak orientálva. Az elektronikus polarizáció az atom elektronfelhőjének a magjához viszonyított elmozdulásának köszönhető. Az utolsó, az elektron polarizációja az atom magjának relatív elmozdulása az összes körülvevő elektronhoz viszonyítva. Ez a fajta polarizáció nagyon rövid idő alatt jön létre, és érzékeny marad a látható fény (1015 Hz) frekvenciáját meghaladó frekvenciákra. Az Orientációs polarizáció elterjedt, mert hosszabb időt igényelt a többi polarizációhoz képest. Ezért a dielektromos állandó értéke csökken, elérve a határfelületi polarizációnak megfelelő magasabb frekvenciájú állandó értéket. A hőmérsékleti értékekben megfigyelt növekedés annak köszönhető, hogy a töltéshordozók hozzájárulnak a polarizációhoz. Alacsony hőmérsékleten a polarizáció gyenge, mivel a dipólusok nem képesek elég gyorsan forogni; ezért a mező mögött ingadoznak. A hőmérséklet növekedése elegendő hőgerjesztő energiát eredményez, amelyet a kötött töltéshordozók nyernek, amelyek fokozzák a dielektromos állandó növekedéséhez vezető polarizációt. Az 1. táblázat a kopolimerünk dielektromos állandójának értékeit mutatja a szakirodalom más értékeivel összehasonlítva. A dielektromos állandó magasabb, mint sok más aromás szerves polimeré, így jó félvezető anyag. Ugyanakkor ezek az értékek alacsonyak a rögzített eredményekhez képest . Ez csökkentett válaszidőt eredményez.

2. ábra
dielektromos állandó vs. PEcbz-Ter gyakorisága különböző hőmérsékleteken.

4.3. Dielektromos veszteség

a permittivitásnak a frekvencia függvényében az (1) egyenlet alkalmazásával kiszámított képzeletbeli részét a 3.ábra mutatja. A dielektromos veszteség viselkedése hasonló a permittivitás valós részéhez, anomália kivételével szobahőmérsékleten, amelynek jelenleg nincs ismert eredete. A kapott dielektromos veszteség a hőmérséklet növekedésével növekszik, alacsony frekvenciákon gyorsan csökken, miközben magas frekvenciákon szinte független. A 3. ábrán a faktorveszteség viselkedése a frekvencia függvényében azzal magyarázható, hogy az ionok alacsony frekvenciákon vándorolnak az anyagon belül. A dielektromos veszteség értéke mérsékelt frekvenciákon az ionugrás és az ionvándorlás vezetési veszteségének, valamint az ionpolarizációs veszteségnek köszönhető. Magas frekvencián az ion rezgések lehetnek a dielektromos veszteség egyetlen forrása, tehát frekvenciafüggetlen.

eltérően a veszteségtényező a frekvencia növekedésével csökken, és a CBH modell szerint a következőképpen fejezhető ki:ahol állandó, m pedig a frekvencia teljesítménytényező.

a VS. Ln ( ++ ), kiszámíthatjuk az m tényezőt, és feltételezhetően a 3(b) ábrán látható vonalak negatív meredeksége. A Guintini-modell (9) egyenlete szerint az m a hőmérséklet növekedésével csökken, és ezt világosan mutatja a 3(b) ábra.

a vezetésnek tulajdonított veszteségek feltehetően az ionok nagy távolságokon történő migrációját jelentik. Ez a mozgás ugyanaz, mint a DC körülmények között. Az ionok átugorják a hálózat legmagasabb korlátait. Ahogy az ionok mozognak, energiájuk egy részét hőként adják a rácsnak, ami az elektromos energia hőelvezetését jelenti.

4.4. AC vezetőképesség

az AC vezetőképesség frekvenciafüggését a (2) egyenlet segítségével kapjuk meg. A vezetőképesség diagramja a frekvencia függvényében az 1 kHz-2 MHz tartományban különböző hőmérsékleteken a 4(a) ábrán látható. Mint megjegyeztük, ennek viselkedése a kopolimerünket követi, növekvő gyakorisággal növekszik. A vezetőképesség növekedése magabiztosan tulajdonítható az ugráló mechanizmusnak, amely az elektromos mező alkalmazásával jelenik meg. Ezt megerősíthetjük a frekvencia-kitevő viselkedésének tanulmányozásával a (2) egyenletben. Az “s” értékeket a lineáris vs. meredekségéből számítjuk ki, az 5.ábrán látható módon. Az exponens a hőmérséklet növekedésével csökken, ezért az elméleti háttérben tárgyalt összes modell közül a CBH a megfelelő modell anyagunk vezetéséhez. A (4) egyenletben szereplő “s” értékek felhasználásával megkapjuk a hozampotenciál gátat, = 0,27 eV.

5. ábra
s kitevő a hőmérséklet függvényében.

a 4(b) ábra a váltakozó áramú vezetőképesség változását mutatja a hőmérséklet függvényében több frekvencián; egyértelmű, hogy lineáris kapcsolat van a hőmérséklet inverzével. A hőmérséklet emelkedésével a váltakozó áramú vezetőképesség is növekszik a molekulák hidrogénkötési szilárdsága miatt, amelyet a hőmérséklet befolyásol, és termikusan gerjesztett hordozók mozgásához vezet a sávrésen belüli energiaszintekből.

az 1.táblázatban bemutatjuk a váltakozó áramú vezetőképesség értékeit több hőmérsékleten és frekvencián, hogy összehasonlítsuk a szakirodalomban közölt egyéb értékekkel. Új paramétert határoztunk meg a válaszidőhöz kapcsolódó F érdemszámként, amely a dielektromos permittivitás és az AC vezetőképesség közötti kapcsolatot képviseli. Minél nagyobb az értéke, annál alkalmasabb az anyag napelem alkalmazásokhoz:

az 1. táblázatból észrevehetjük, hogy F PEcbz-Ter esetében a legmagasabb érték R. T. a hőmérséklet inverzével rendelkező egyenes vonalai az Arrhenius-egyenletet követik:hol van a pre-exponenciális állandó és az aktiválási energia. Mintánk aktiválási energiájának az egyenes vonalak meredekségétől számított frekvenciájának függvényében számított értékeit a 4(b) ábra mutatja, és a 6.ábra mutatja. Az aktiválási energia a frekvencia növekedésével csökken; ennek oka lehet az alkalmazott terepi frekvencia, amely fokozza a lokalizált állapotok közötti elektronikus ugrásokat. Ez megerősíti, hogy az ugráló mechanizmus vezérli a szállítási mechanizmust.

6. ábra
aktiválási energia vs. a PEcbz-Ter gyakorisága.

4.5. Elektromos Modulus analízis

a komplex dielektromos modulust a (7) egyenletből kapjuk, és a 7(a) ábrán mutatjuk be. Az ábra alapján megfigyeljük, hogy az Mr a relaxációs folyamat miatt magas frekvenciákon éri el a maximális értékeket, alacsony frekvenciákon pedig az elektromos polarizáció hiánya miatt megközelíti a nullát. Az eredmények azt mutatták, hogy a dielektromos modulus fordított frekvenciájú viselkedést mutat a szobahőmérsékleten lévő dielektromos állandóhoz képest a 7(a) ábrán, amint azt az ábrából észrevehetjük, hogy a dielektromos állandó csökken a frekvenciával, míg az elektromos modulus növekszik.

a modulus képzeletbeli részét a frekvencia függvényében néhány kiválasztott hőmérsékleten a 7(b) ábra mutatja. A Mim itt bemutatott elemzése azt sugallja, hogy a dielektromos relaxációs csúcs alacsony frekvenciákon jelenik meg, és állandó marad a hőmérséklet növekedésével. Ez a viselkedés hasonló és megfigyelhető a korábbi munkákban . A maximális csúcs alatti értékeket a nagy hatótávolságú távolságokon mozgó töltéshordozók határozzák meg, míg a hordozók a rövid távolságokon mozgó potenciális kutakra korlátozódnak, meghatározzák a maximális csúcs feletti értékeket.

5. Következtetés

a PEcbz-Ter dielektromos állandóját, dielektromos veszteségét, váltakozó áramú vezetőképességét és elektromos modulusát 1 kHz–2 MHz frekvenciatartományban és R. T-től 120 C-ig terjedő hőmérsékleti tartományban vizsgáltuk. A dielektromos állandó valós részének erős frekvenciafüggése van magas frekvenciákon, csökken a növekvő frekvenciával, míg növekszik a hőmérséklet növekedésével alacsony frekvencián. A dielektromos állandó képzeletbeli része hasonló viselkedést mutat, mint a hőmérséklet és a frekvencia függvényében. A dielektromos veszteség a hőmérséklet növekedésével növekszik, és az értékek 1% alatt vannak, ami a kopolimert számos energiatároló alkalmazáshoz alkalmassá teszi. Úgy tűnik, hogy a váltakozó áramú vezetőképesség növekszik a frekvencia növekedésével, a keletkező hőmérséklet csökkenésével. A megfelelő modell a korrelált barrier-hopping (CBH) modell volt. Az aktiválási energia a frekvencia növekedésével csökken. Ezek az eredmények ígéretesek a szakirodalom többi részéhez képest; ezt fel lehetne használni a szerves anyagok dielektromos és elektromos tulajdonságainak további vizsgálatára.

adatok rendelkezésre állása

a vizsgálat eredményeinek alátámasztására használt kísérleti adatok kérésre rendelkezésre állnak.

összeférhetetlenség

a szerzők nem nyilatkoznak összeférhetetlenségről.

Köszönetnyilvánítás

Vélemény, hozzászólás?

Az e-mail-címet nem tesszük közzé.