Abstract

propriedades eléctricas e dieléctricas para etilcarbazole-terfenilo a granel (PEcbz-Ter) foram estudadas na gama de frequências de 1 kHz–2 MHz e na gama de temperaturas (R. T-120°C). O copolímero PEcbz-Ter foi caracterizado pela utilização de difracção por raios X. A dependência de frequência da constante dielétrica () e perda dielétrica () tem sido investigada usando a permitividade complexa. do copolímero diminui com o aumento da frequência e aumenta com a temperatura. Os dados da condutividade AC () foram analisados pela lei do poder universal. O comportamento dos aumentos com o aumento da temperatura e da frequência. A alteração do (s) expoente (s) de frequência com temperatura foi analisada em termos de diferentes mecanismos de condução, e verificou-se que o modelo de salto de barreira correlacionado é o mecanismo predominante de condução. O módulo elétrico foi usado para analisar o fenômeno de relaxamento no material.

1. Introduction

Organic conductive and semiconductor materials are emerging as the key materials for future electronics. A eletrônica orgânica oferece duas grandes vantagens sobre os semicondutores inorgânicos clássicos. Por um lado, permitem a concepção de dispositivos em substratos flexíveis, oferecendo assim uma vasta gama de novas aplicações que requerem a flexibilidade dos suportes . Por outro lado, os custos são inferiores aos dos semicondutores inorgânicos. Estes materiais, polímeros , por exemplo , podem ser utilizados em aplicações de grande variedade , tais como dispositivos fotovoltaicos, transístores de efeito de campo, díodos emissores de luz e armazenamento de energia capacitiva .

as propriedades de condutividade destes conjuntos dependem de dois parâmetros primários, a saber, a eficiência do transporte de cargas no polímero e a eficiência do transporte intermodal. Este último representa frequentemente o parâmetro limitador de desempenho e, consequentemente, a utilização de polímeros concebidos para várias aplicações. Recentemente, diferentes exemplos de polímeros baseados em backbones conjugados π foram desenvolvidos . Os π-conjugados representam a deslocalização ou, em outras palavras, a mobilidade dos elétrons ao longo da espinha dorsal do polímero. Em sistemas conjugados, que têm ligações duplas alternadas, a densidade de elétrons é deslocalizada e geralmente leva à estabilização da molécula. A mobilidade dos elétrons π contribui para propriedades físicas importantes, bem como para propriedades químicas de compostos aromáticos .

poli(Etilcarbazol) é um polímero condutor com estrutura conjugada π, Que tem sido amplamente estudado e utilizado em dispositivos fotovoltaicos e eletroluminescentes devido à sua excelente estabilidade térmica e propriedades eletrônicas . Este polímero exibe uma baixa constante dielétrica sobre uma ampla gama de temperatura e frequência. Estas propriedades baixas podem ser melhoradas para expandir seus campos de Aplicação. Para converter poli(etilcarbazol) em um material K elevado, P-terfenil foi usado como um bloco de construção devido à sua estabilidade química e alta constante dielétrica . Ambos os materiais podem ser feitos como uma escolha apropriada para o estudo de propriedades elétricas. Abordagens teóricas e experimentais baseadas em estudos dielétricos podem fornecer informações importantes que podem ser usadas para entender a polarização dielétrica, perdas dielétricas e o comportamento dos portadores de carga em polímeros . As propriedades dielétricas são uma fonte de informações valiosas sobre as propriedades elétricas de íons, átomos e moléculas, e mais importante, seu comportamento dentro dos materiais. Selvakumar et al. reported that the electronic relaxation process is the only process that occurs in P-terphenyl. Além disso, através da análise dielétrica, foram capazes de mostrar que o material é contínuo e ininterrupto, o que significa que não há limites de grãos dentro do polímero, com apenas uma pequena quantidade de impurezas e concentrações de defeitos. Além disso, os valores de constante dielétrica de P-terfenilo são muito altos em comparação com outros polímeros orgânicos . Estes valores elevados afetam o tempo de resposta de dispositivos como células solares.

neste papel, propriedades dielétricas (constante dielétrica e perdas dieléctricas) e propriedades elétricas (ac condutividade elétrica e módulo de elasticidade) de poli(ethylcarbazole) e P-terphenyl como um copolímero têm sido estudadas como função da temperatura e freqüência. Uma forte dependência e correlação entre a natureza da estrutura material e as propriedades dielétricas são encontradas e, portanto, investigamos nossa estrutura de copolímero usando a técnica de difração de raios X como um passo inicial, permitindo-nos obter uma visão da morfologia do material. Em seguida, avaliamos as partes reais e imaginárias da constante dielétrica, bem como as propriedades elétricas na faixa de temperatura de R. T = 30°C a 120°C e faixa de frequência de 1 kHz a 2 MHz. Os diferentes resultados obtidos são discutidos de acordo com vários modelos teóricos para determinar o modelo mais adequado para interpretar as medições experimentais para PEcbz-Ter.

2. Detalhes experimentais

caracterização dielétrica foi realizada em um pó aterrado de materiais à base de etilcarbazol que foram pressionados por uma prensa hidráulica abaixo de ∼50 MPa para formar um sedimento com uma forma de disco. A superfície do sedimento é bem polida em secura e metalizada por uma fina camada de pasta de prata, a fim de obter duas placas paralelas; o sedimento tinha o mesmo raio que os eletrodos, que são de 12 mm em forma de disco circular, e a espessura é de 1,75 mm. As partes reais () e imaginárias () da permissividade deste composto são medidas na frequência de 1 kHz–2 MHz e na faixa de temperatura de R. T a 120°C usando a técnica espectroscópica de impedância complexa.

3. Fundo teórico

O real () e o imaginário () partes da permissividade do material foram calculados utilizando as fórmulas a seguir:onde é a capacitância da amostra, d é a espessura do disco, S é a área da superfície dos eletrodos, e = 8.85 × F/m é a permissividade do espaço livre. A capacitância () e o Fator de perda ( ou D) podem ser obtidos diretamente das medições. A amplitude do CA do sinal elétrico aplicado para as amostras foi de 1 V.

A condutividade dados foram obtidos utilizando-se a seguinte relação :

CA condutividade também está relacionada à freqüência como :onde A é uma constante, ω é a frequência angular, e s é o expoente que, geralmente, é menor do que ou igual a um. O valor e o comportamento do expoente “s” em relação à temperatura e/ou frequência determinam o mecanismo de condução dominante no material. De acordo com o valor de s e comportamento, vários modelos teóricos foram encontrados para explicar o mecanismo de condução de materiais (QMT, SPT, LPT, e CBH). In the quantum tunnelling model (QMT),” s ” is anticipated as being frequency-dependent but temperature-independent. No caso do modelo de tunelamento de pequenos polarons (SPT), prevê-se que “s” aumente à medida que a temperatura aumenta. No tunelamento de grandes polarões (LPT) , “s” deve ser tanto dependente da temperatura como da frequência, e no modelo CBH de salto de barreira correlacionado previsto como sendo tanto dependente da temperatura como da frequência e “s” deve diminuir com o aumento da temperatura.

em CBH,” s ” é calculado usando a seguinte fórmula :onde está a constante de Boltzmann, é a altura máxima da barreira, e é o tempo de relaxamento característico e está na ordem da vibração atômica no período S.

Esta equação pode ser aproximada para obter

de Acordo com este CBH modelo, a condutividade pode ser expressa por, onde N é a densidade de estados localizados na qual as operadoras de existir, é a constante dielétrica do material, e é a distância de salto e dado como

Dielétrico relaxamento mecanismo pode ser obtido a partir do pico de perda dielétrica (), a impedância complexa, elétricos e módulo de elasticidade. No caso da ausência de um pico bem definido (ω), a representação de Módulo dielétrico foi usada para compreender e analisar o fenômeno de relaxamento nos materiais dielétricos. Este parâmetro pode ser definido como

4. Resultados e discussão

4.1. Difracção de raios X

os espectros de difracção de raios X (DRX) dos monómeros e do copolímero PEcbz-Ter sintetizado são apresentados na Figura 1. O difractograma do copolímero PEcbz-Ter estudado apresenta picos característicos tanto dos monómeros etilcarbazol (Ecbz) como terfenil (Ter), tais como os localizados a 2θ = 19.1°, 23°, 25° e 2θ = 6.48°, 13.1°, 20.35°, 28°, 37.58°, respectivamente. A maioria destes picos são acentuadamente intensificados, reflectindo uma nova morfologia do copolímero. A existência de picos finos e intensos reflete uma ordem estrutural no copolímero e, portanto, a existência de regiões cristalinas. O desaparecimento para o copolímero dos picos de ethylcarbazole (Ecbz), em particular, na faixa de 2θ entre 10° e 25°, explica a nova estrutura do copolímero obtido, o que não corresponde, necessariamente, a presença de duas fases (ethylcarbazole e terphenyl).

Figura 1
difração de raios X os padrões de terphenyl (Ter), P-ethylcarbazole (PEcbz), e PEcbz-Ter copolímero.

4.2. Constante dieléctrica

os resultados da constante dieléctrica para o copolímero PEcbz-Ter Com ω a diferentes temperaturas são ilustrados na Figura 2. Mostra que a constante dielétrica diminui com frequência crescente e aumenta com temperaturas crescentes a baixas frequências. O mesmo comportamento é observado por El-Nahass et al. para o corante orgânico p-N,n dimetilaminobenzilidenomalononitrilo (DBM). Pode-se notar que, em frequências acima de 10 kHz, a permissividade é fracamente dependente de Frequência/Temperatura. Em baixas frequências, os portadores de carga respondem mais rapidamente com o campo elétrico aplicado externamente, resultando no maior valor de. Em frequências mais altas, os portadores de carga são incapazes de acompanhar as rápidas mudanças no campo elétrico aplicado, resultando em baixos valores de . A diminuição da constante dielétrica com a frequência de campo aplicada pode ser explicada com base em vários tipos de polarização (iônica, orientação e eletrônica). A polarização iônica devido à aplicação de um campo elétrico em um material induz um deslocamento dos íons positivos em relação aos íons negativos. Esta polarização intervém para frequências inferiores a terahertz. A polarização de orientação ocorre até frequências entre 1 kHz e 1 MHz e está relacionada à estrutura do material. Sob um campo aplicado, os dipolos permanentes das moléculas são orientados na direção do campo. A polarização eletrônica é devida ao deslocamento da nuvem de elétrons do átomo em relação ao seu núcleo. A última, polarização eletrônica é devido a um deslocamento relativo do núcleo do átomo em relação a todos os elétrons que o rodeiam. Este tipo de polarização é estabelecido em muito pouco tempo e permanece sensível até frequências superiores às da luz visível (1015 Hz). A polarização de orientação é prevalente porque exigiu um tempo mais longo em comparação com outras polarizações. Portanto, o valor da constante dielétrica diminui atingindo um valor constante em maior frequência correspondente à polarização interfacial. O aumento observado em valores com temperatura é devido à contribuição dos portadores de carga para a polarização. A baixas temperaturas, a polarização é fraca devido à incapacidade dos dipolos para rodar rápido o suficiente; portanto, eles oscilam atrás do campo. O aumento da temperatura resulta em suficiente energia de excitação térmica obtida pelos portadores de carga vinculados, o que aumenta a polarização levando ao aumento da constante dielétrica. A tabela 1 mostra os valores da constante dielétrica de nosso copolímero em comparação com outros valores na literatura. A constante dielétrica é maior do que a de muitos outros polímeros orgânicos aromáticos, tornando-se um bom material semicondutor. Ao mesmo tempo, estes valores são baixos em comparação com os resultados registados . Isto resulta numa redução do tempo de resposta.

Figura 2
constante Dielétrica vs. frequência de PEcbz-Ter a diferentes temperaturas.

4.3. A perda dieléctrica

a parte imaginária da permissividade em função da frequência a diferentes temperaturas calculadas por recurso à equação (1) é mostrada na Figura 3. O comportamento da perda dielétrica é semelhante à parte real da permissividade, com uma exceção de anomalia à temperatura ambiente, que não tem uma origem atualmente compreendida. A perda dielétrica obtida aumenta com o aumento da temperatura e tem uma rápida diminuição em baixas frequências, sendo quase independente em altas frequências. Na Figura 3, o comportamento de perda de factor em função da frequência pode ser explicado pelo facto de os iões migrarem dentro do material a baixas frequências. Os valores de perda dielétrica em frequências moderadas são devidos à contribuição do Salto iônico e perda de condução da migração iônica, bem como a perda de polarização iônica. Em alta frequência, as vibrações iônicas podem ser a única fonte da perda dielétrica, assim como a frequência independente.

diferentemente, o Fator de perda diminui com frequência crescente e expresso da seguinte forma de acordo com o modelo CBH:onde é uma constante e m é o Fator de potência de frequência.

da parcela de vs. ln (ω), podemos calcular o fator m e é suposto ser a inclinação negativa das linhas mostradas na Figura 3(b). De acordo com o modelo de Guintini , equação (9), m diminui com o aumento da temperatura, e é claramente mostrado na Figura 3(b) do inset.

as perdas que são atribuídas à condução presumivelmente envolvem a migração de íons em grandes distâncias. Este movimento é o mesmo que ocorre em condições DC. Os ions saltam sobre as barreiras mais altas da rede. À medida que os íons se movem, eles dão parte de sua energia para a estrutura como calor, o que explica a dissipação de energia elétrica como calor.

4.4. Condutividade AC

a dependência de frequência da condutividade AC é obtida pela equação (2). O gráfico da condutividade em função da frequência na gama de 1 kHz a 2 MHz a diferentes temperaturas é apresentado na Figura 4 a). Como se observou, o comportamento do que segue o nosso copolímero aumenta com frequência crescente. O aumento da condutividade pode ser atribuído com confiança ao mecanismo de salto que aparece aplicando o campo elétrico. Isto pode ser confirmado através do estudo do comportamento do expoente de frequência na equação (2). Os valores de “s” são calculados a partir do declive do linear vs. , conforme representado na Figura 5. O expoente diminui com o aumento da temperatura; portanto, entre todos os modelos discutidos no fundo teórico, CBH é o modelo apropriado para a condução em nosso material. Usando os valores de ” s ” na equação (4), obtemos a barreira de rendimento potencial, = 0,27 eV.

Figura 5
Expoente de s como uma função da temperatura.

a Figura 4(b) mostra a variação da condutividade AC em função da temperatura em diversas frequências; é claro que existe uma relação linear entre a e o inverso da temperatura. À medida que a temperatura aumenta, a condutividade AC aumenta também devido à força da ligação de hidrogênio nas moléculas, que é afetada pela temperatura e leva aos movimentos de portadores termicamente excitados dos níveis de energia dentro do intervalo de banda.

reportamos na Tabela 1 Os valores de condutividade AC em várias temperaturas e frequências para comparação com outros valores relatados na literatura. Definimos um novo parâmetro como uma figura de mérito f relacionada com o tempo de resposta, que representa a relação entre a permitividade dielétrica e a condutividade AC. Quanto maior o seu valor, mais adequado o material para aplicações de células solares:

Da Tabela 1, podemos notar que F para PEcbz-Ter tem o valor mais elevado em R. T. as linhas rectas de com inverso de temperatura seguem a equação de Arrhenius:onde está a constante pré-exponencial e é a energia de ativação. Os valores da energia de ativação da nossa amostra, calculados em função da frequência a partir do declive das rectas, são traçados na Figura 4(b) e mostrados na Figura 6. A energia de ativação diminui com frequência crescente; isso pode ser devido à frequência de campo aplicada que aumenta os saltos eletrônicos entre os estados localizados. Isto confirma que o mecanismo de salto controla o mecanismo de transporte.

Figura 6
energia de Ativação vs. frequência de PEcbz-Ter.

4.5. Análise de Módulo elétrico

o módulo de Módulo dielétrico complexo é obtido a partir da equação (7) e é representado na Figura 7(a). A partir da figura, observamos que o Sr atinge valores máximos em altas frequências devido ao processo de relaxamento, e ele se aproxima de zero em baixas frequências devido à falta de polarização elétrica. Os resultados mostraram que o módulo dieléctrico tem um comportamento de frequência inversa em comparação com a constante dieléctrica à temperatura ambiente na Figura 7(a) do inset, como podemos observar a partir da figura que a constante dieléctrica diminui com a frequência, enquanto o módulo eléctrico está a aumentar.

a parte imaginária de módulo em função da frequência a poucas temperaturas seleccionadas é mostrada na Figura 7(b). A análise aqui apresentada da Mim sugere o aparecimento de um pico de relaxamento dielétrico em baixas frequências e permanece constante com o aumento da temperatura. Este comportamento é semelhante e observado em trabalhos anteriores . Os valores abaixo do pico máximo são determinados pelos transportadores de carga que se deslocam em distâncias de longo alcance, enquanto os transportadores estão confinados a poços potenciais sendo móveis em distâncias curtas determinar os valores acima do pico máximo.

5. Conclusão

constante dieléctrica, perda dieléctrica, condutividade AC e módulo de elasticidade de PEcbz-Ter foram investigados na gama de frequências de 1 kHz–2 MHz e na gama de temperaturas de R. T a 120°C. O raio-X foi feito e mostra regiões cristalinas no nosso polímero. A parte real da constante dielétrica tem forte dependência de frequência/temperatura em altas frequências, uma diminuição com frequência crescente, enquanto um aumento com temperatura crescente em baixa frequência. A parte imaginária da constante dielétrica apresenta um comportamento semelhante ao da temperatura e da frequência. A perda dielétrica aumenta com o aumento da temperatura, e os valores são inferiores a 1%, o que torna o copolímero adequado para muitas aplicações de armazenamento de energia. A condutividade AC parece aumentar com o aumento da frequência e uma diminuição com a subida da temperatura. O modelo apropriado foi o modelo correlacionado barrier-hopping (CBH). A energia de ativação diminui com frequência crescente. Esses resultados são promissores em comparação com outros na literatura; isso poderia ser explorado para investigar mais em propriedades dielétricas e elétricas de materiais orgânicos.

disponibilidade de dados

os dados experimentais utilizados para apoiar os resultados deste estudo serão disponibilizados mediante pedido.

conflitos de interesses

os autores não declaram conflitos de interesses.

agradecimentos

Deixe uma resposta

O seu endereço de email não será publicado.