Abstrakt

elektriska och dielektriska egenskaper för bulk etylkarbazol-terfenyl (PEcbz-Ter) har studerats över frekvensområdet 1 kHz–2 MHz och temperaturområde (R. T -120 kcal C). Sampolymeren PEcbz-Ter karakteriserades genom användning av röntgendiffraktion. Frekvensberoende av dielektrisk konstant () och dielektrisk förlust () har undersökts med användning av komplex permittivitet. av sampolymeren minskar med ökande frekvens och ökar med temperaturen. AC conductivity () data analyserades av universal power law. Beteendet hos ökar med ökande temperatur och frekvens. Förändringen av frekvensexponenten (erna) med temperatur analyserades i termer av olika ledningsmekanismer, och det visade sig att den korrelerade barriärhoppningsmodellen är den dominerande ledningsmekanismen. Den elektriska modulen användes för att analysera avslappningsfenomenet i materialet.

1. Introduktion

organiska ledande och halvledarmaterial framträder som nyckelmaterial för framtida elektronik. Organisk elektronik erbjuder två stora fördelar jämfört med klassiska oorganiska halvledare. Å ena sidan tillåter de utformningen av enheter på flexibla substrat och erbjuder därmed ett brett utbud av nya applikationer som kräver flexibiliteten hos stöden . Å andra sidan är kostnaderna lägre än de oorganiska halvledarna. Dessa material, polymerer, till exempel , kan användas i brett sortiment applikationer såsom fotovoltaiska enheter , fälteffekttransistorer , ljusemitterande dioder och kapacitiv energilagring .

konduktivitetsegenskaperna hos dessa enheter beror på två primära parametrar, nämligen effektiviteten av transporten av laddningar i polymeren och effektiviteten hos interkedjetransporten. Den senare representerar ofta den prestandabegränsande parametern och följaktligen användningen av polymerer avsedda för olika tillämpningar. Nyligen har olika exempel på polymerer baserade på Macau-konjugerade ryggrad utvecklats . Konjugaten representerar delokaliseringen eller med andra ord elektronernas rörlighet längs polymerryggraden. I konjugerade system, som har alternerande dubbelbindningar, delokaliseras elektrondensiteten och leder vanligtvis till stabilisering av molekylen. Mobiliteten hos elektroner i form av elektroner bidrar till viktiga fysikaliska egenskaper såväl som kemiska egenskaper hos aromatiska föreningar .

Poly (Etylkarbazol) är en ledande polymer med en konjugerad struktur, som har studerats och använts i fotovoltaiska och elektroluminescerande anordningar på grund av dess utmärkta termiska stabilitet och elektroniska egenskaper . Denna polymer uppvisar en låg dielektrisk konstant över ett brett spektrum av temperatur och frekvens. Dessa låga egenskaper kan förbättras för att utöka dess applikationsfält. För att omvandla poly (etylkarbazol) till ett högt k-material användes P-terfenyl som byggsten på grund av dess kemiska stabilitet och höga dielektriska konstant . Båda materialen kan göras som ett lämpligt val för studier av elektriska egenskaper. Teoretiska och experimentella metoder baserade på dielektriska studier kan ge viktig information som kan användas för att förstå dielektrisk polarisering, dielektriska förluster och beteendet hos laddningsbärare i polymerer . De dielektriska egenskaperna är en källa till värdefull information om de elektriska egenskaperna hos joner, atomer och molekyler, och viktigast av allt deras beteende inom material. Selvakumar et al. rapporterade att den elektroniska avslappningsprocessen är den enda process som sker i P-terfenyl. Dessutom kunde de genom den dielektriska analysen visa att materialet är kontinuerligt och obrutet, vilket innebär att det inte finns några korngränser inom polymeren, med endast en liten mängd föroreningar och defektkoncentrationer. Dessutom är de dielektriska konstantvärdena för P-terfenyl mycket höga jämfört med andra organiska polymerer . Dessa höga värden påverkar svarstiden för enheter som solceller.

i detta dokument har dielektriska egenskaper (dielektrisk konstant och dielektrisk förlust) och elektriska egenskaper (ac-konduktivitet och elektrisk modul) av poly(etylkarbazol) och P-terfenyl som sampolymer studerats som funktion av temperatur och frekvens. Ett starkt beroende och korrelation mellan materialstrukturens natur och de dielektriska egenskaperna finns, och därför undersöker vi vår sampolymerstruktur med hjälp av Röntgendiffraktionsteknik som ett första steg, vilket gör att vi kan få insikt i materialets morfologi. Sedan utvärderade vi de verkliga och imaginära delarna av dielektricitetskonstanten, liksom de elektriska egenskaperna i temperaturområdet från R. T = 30 C till 120 C och frekvensområdet från 1 kHz till 2 MHz. De olika erhållna resultaten diskuteras enligt flera teoretiska modeller för att bestämma den lämpligaste modellen för tolkning av experimentella mätningar för PEcbz-Ter.

2. Experimentella detaljer

dielektrisk karakterisering utfördes på ett jordat pulver av etylkarbazolbaserade material som pressades av en hydraulisk press under 50 mpa för att bilda en pellet med en skivform. Pellets yta är välpolerad till torrhet och metalliserad av ett tunt lager av silverpasta för att erhålla två parallella plattor; pelleten hade samma radie som elektroderna, vilka är 12 mm i en cirkulär skivform och tjockleken är 1,75 mm. De reella () och imaginära () delarna av permittiviteten hos denna förening mäts i frekvensen 1 kHz–2 MHz och temperaturområdet från R. T till 120 kcal C med hjälp av den komplexa impedansspektroskopiska tekniken.

3. Teoretisk bakgrund

de verkliga () och imaginära () delarna av materialets permittivitet beräknades med hjälp av följande formler:var är provets kapacitans, d är skivans tjocklek, S är elektrodernas ytarea och = 8,85 kcal F/m är frihetens permittivitet. Kapacitansen () och förlustfaktorn ( eller D) kan erhållas direkt från mätningarna. Amplituden för den AC – elektriska signalen som applicerades på proverna var 1 V.

konduktivitetsdata erhölls med användning av följande relation :

AC-konduktiviteten är också relaterad till frekvensen som :där A är en konstant, är Xiaomi vinkelfrekvensen och s är exponenten som i allmänhet är mindre än eller lika med en. Värdet och beteendet hos exponenten ”s” kontra temperatur och/eller frekvens bestämmer den rådande ledningsmekanismen som dominerar i materialet. Enligt värdet av s och beteende har flera teoretiska modeller visat sig förklara ledningsmekanismen för material (QMT, SPT, LPT och CBH). I quantum tunneling model (QMT) förväntas ”s” vara frekvensberoende men temperaturoberoende. I fallet med små polaron tunneling model (SPT) , ”s” förutspås öka när temperaturen ökar. I large polaron tunnel (LPT) bör ”s” vara både temperatur – och frekvensberoende, och i den korrelerade barriärhoppande CBH-modellen som förväntas vara både temperatur-och frekvensberoende och ”s” bör minska med ökande temperatur.

i CBH beräknas ”s” med hjälp av följande formel :var är Boltzmann-konstanten, är den maximala barriärhöjden och är den karakteristiska avslappningstiden och ligger i ordningen för atomvibrationen vid perioden s .

denna ekvation kan approximeras för att erhålla

enligt denna CBH-modell kan konduktiviteten uttryckas av var N är densiteten hos lokaliserade tillstånd vid vilka bärare finns, är materialets dielektriska konstant och är hoppavståndet och ges som

dielektrisk avslappningsmekanism kan erhållas från toppen av den dielektriska förlusten (), impedanskomplex och elektrisk modul. I fallet med frånvaron av en väldefinierad topp (XXL) användes den dielektriska modulrepresentationen för att förstå och analysera fenomenet avkoppling i dielektriska material. Denna parameter kan definieras som

4. Resultat och diskussion

4.1. Röntgendiffraktion

röntgendiffraktionsspektra (XRD) för monomererna och den syntetiserade PEcbz-Ter-sampolymeren visas i Figur 1. Diffraktogrammet för den studerade sampolymeren PEcbz-Ter har karakteristiska toppar av både monomererna etylkarbazol (Ecbz) och terfenyl (Ter), såsom de som ligger vid 2 kcal = 19.1-23-25-2-2-2-2-2 -= 6.48°, 13.1°, 20.35°, 28°, 37.58°, respektive. Majoriteten av dessa toppar intensifieras markant, vilket återspeglar en ny morfologi av sampolymeren. Förekomsten av fina och intensiva toppar återspeglar en strukturell ordning i sampolymeren och därmed förekomsten av kristallina regioner. Försvinnandet för sampolymeren av topparna av etylkarbazol (Ecbz), i synnerhet i intervallet 2 kg mellan 10 och 25 kg, förklarar den nya strukturen hos den erhållna sampolymeren, vilket inte nödvändigtvis motsvarar närvaron av de två faserna (etylkarbazol och terfenyl).

Figur 1
Röntgendiffraktionsmönster av terfenyl (Ter), P-etylkarbazol (PEcbz) och PEcbz-Ter-sampolymer.

4.2. Dielektricitetskonstanten

resultaten av dielektricitetskonstanten för pecbz-Ter-sampolymeren med kokos vid olika temperaturer illustreras i Figur 2. Det visar att den dielektriska konstanten minskar med ökande frekvens och ökar med ökande temperaturer vid låga frekvenser. Samma beteende observeras av El-Nahass et al. för p-N,n dimetylaminobensylidenemalononitril (dBm) organiskt färgämne. Det kan noteras att vid frekvenser över 10 kHz är permittiviteten svagt frekvens-/temperaturberoende. Vid låga frekvenser svarar laddningsbärare snabbare med det externt applicerade elektriska fältet, vilket resulterar i det högre värdet på . Vid högre frekvenser kan laddningsbärare inte följa de snabba förändringarna i det applicerade elektriska fältet, vilket resulterar i låga värden på . Minskningen av dielektricitetskonstanten med den applicerade fältfrekvensen kan förklaras baserat på flera typer av polarisering (jonisk, orientering och elektronisk). Den joniska polarisationen på grund av appliceringen av ett elektriskt fält på ett material inducerar en förskjutning av de positiva jonerna i förhållande till de negativa jonerna. Denna polarisering ingriper för frekvenser lägre än terahertz. Orienteringspolarisationen sker upp till frekvenser mellan 1 kHz och 1 MHz och är relaterad till materialets struktur. Under ett applicerat fält är molekylernas permanenta dipoler orienterade i fältets riktning. Den elektroniska polarisationen beror på förskjutningen av atomens elektronmoln med avseende på dess kärna. Den sista, elektronpolarisering beror på en relativ förskjutning av atomens kärna i förhållande till alla elektroner som omger den. Denna typ av polarisering etableras på mycket kort tid och förblir känslig upp till frekvenser som överstiger de för synligt ljus (1015 Hz). Orienteringspolariseringen är utbredd eftersom den krävde en längre tid jämfört med andra polariseringar. Därför minskar värdet av dielektrisk konstant och når ett konstant värde vid högre frekvens motsvarande gränssnittspolarisering. Ökningen observerad i värden med temperatur beror på laddningsbärarnas bidrag till polarisationen. Vid låga temperaturer är polariseringen svag på grund av dipolernas oförmåga att rotera tillräckligt snabbt, därför svänger de bakom fältet. Ökningen i temperatur resulterar i tillräcklig termisk excitationsenergi erhållen av de bundna laddningsbärarna, vilket förbättrar polarisationen som leder till ökningen av den dielektriska konstanten. Tabell 1 visar värdena för dielektrisk konstant för vår sampolymer jämfört med andra värden i litteraturen. Den dielektriska konstanten är högre än för många andra aromatiska organiska polymerer, vilket gör det till ett bra halvledarmaterial. Samtidigt är dessa värden låga jämfört med de resultat som registrerats i . Detta resulterar i en minskad Responstid.

Figur 2
dielektrisk konstant vs. frekvens av PEcbz-Ter vid olika temperaturer.

4.3. Dielektrisk förlust

den imaginära delen av permittiviteten som en funktion av frekvens vid olika temperaturer beräknad med hjälp av ekvation (1) visas i Figur 3. Beteendet hos dielektrisk förlust liknar den verkliga delen av permittiviteten, med ett anomali undantag vid rumstemperatur, som inte har ett för närvarande förstått ursprung. Den erhållna dielektriska förlusten ökar med ökande temperatur och har en snabb minskning vid låga frekvenser samtidigt som den är nästan oberoende vid höga frekvenser. I Figur 3 kan faktorförlustbeteendet som en funktion av frekvensen förklaras av det faktum att joner migrerar i materialet vid låga frekvenser. Värdena för dielektrisk förlust vid måttliga frekvenser beror på bidraget från jonhopp och ledningsförlust av jonmigration, liksom jonpolarisationsförlusten. Vid hög frekvens kan jonvibrationer vara den enda källan till den dielektriska förlusten, så är frekvensoberoende.

annorlunda minskar förlustfaktorn med ökande frekvens och uttrycks enligt följande enligt CBH-modellen:var är en konstant och m är frekvenseffektfaktorn.

från handlingen i vs. ln (Xiaomi), vi kan beräkna faktorn m och är tänkt att vara den negativa lutningen på linjerna som visas i Figur 3(b). Enligt Guintini-modellen, ekvation (9), minskar m med ökande temperatur, och det visas tydligt i infälld Figur 3(b).

förlusterna som tillskrivs ledningen involverar förmodligen migrering av joner över stora avstånd. Denna rörelse är densamma som den som inträffar under DC-förhållanden. Jonerna hoppar över de högsta barriärerna i nätverket. När jonerna rör sig ger de en del av sin energi till gallret som värme, vilket står för avledning av elektrisk energi som värme.

4.4. AC-konduktivitet

frekvensberoende av AC-konduktiviteten erhålls genom ekvation (2). Konduktivitetsplanen som en funktion av frekvensen i intervallet 1 kHz till 2 MHz vid olika temperaturer visas i Figur 4(A). Som noterat ökar beteendet hos det som följer vår sampolymer med ökande frekvens. Ökningen i konduktivitet kan med säkerhet hänföras till hoppmekanismen som uppträder genom att applicera det elektriska fältet. Detta kan bekräftas genom att studera beteendet hos frekvensexponenten i ekvation (2). Värdena för ” s ” beräknas från lutningen av den linjära vs. , som avbildas i Figur 5. Exponenten minskar med ökande temperatur; därför är CBH bland alla modeller som diskuteras i den teoretiska bakgrunden lämplig modell för ledningen i vårt material. Med hjälp av värdena på ”s” i ekvation (4) erhåller vi avkastningspotentialbarriären, = 0,27 eV.

Figur 5
Exponent s som en funktion av temperaturen.

Figur 4 (b) visar variationen av AC-ledningsförmågan som en funktion av temperaturen vid flera frekvenser; det är uppenbart att det finns ett linjärt förhållande mellan och inversen av temperaturen. När temperaturen stiger ökar AC-konduktiviteten också på grund av vätebindningsstyrkan i molekylerna, som påverkas av temperaturen och leder till rörelser av termiskt upphetsade bärare från energinivåer inom bandgapet.

vi rapporterar i Tabell 1 värdena för AC-konduktivitet vid flera temperaturer och frekvenser för jämförelse med andra värden som rapporterats i litteraturen. Vi definierade en ny parameter som en siffra av merit F relaterad till svarstiden, vilket representerar förhållandet mellan den dielektriska permittiviteten och AC-konduktiviteten. Ju högre dess värde, desto lämpligare är materialet för solcellsapplikationer:

från Tabell 1 kan vi märka att F för PEcbz-Ter har det högsta värdet vid R. T. de raka linjerna med invers temperatur följer Arrhenius-ekvationen:var är den pre-exponentiella konstanten och är aktiveringsenergin. Värdena för aktiveringsenergi i vårt prov beräknat som en funktion av frekvensen från lutningen på de raka linjerna ritas i Figur 4 (b) och visas i Figur 6. Aktiveringsenergin minskar med ökande frekvens; detta kan bero på den applicerade fältfrekvensen som förbättrar de elektroniska hoppen mellan de lokaliserade tillstånden. Detta bekräftar att hoppmekanismen styr transportmekanismen.

Figur 6
aktiveringsenergi vs. frekvens av PEcbz-Ter.

4.5. Elektrisk Modulanalys

den komplexa dielektriska modulen erhålls från ekvation (7) och avbildas i Figur 7(a). Från figuren observerar vi att Mr når maximala värden vid höga frekvenser på grund av avslappningsprocessen, och den närmar sig noll vid låga frekvenser på grund av bristen på elektrisk polarisation. Resultaten visade att dielektrisk modul har omvänd frekvensbeteende jämfört med dielektrisk konstant vid rumstemperatur i infälld Figur 7(A), som vi kan märka från figuren dielektrisk konstant minskar med frekvens, medan elektrisk modul ökar.

den imaginära delen av modulen som en funktion av frekvens vid Få valda temperaturer visas i Figur 7(b). Analysen som presenteras här av Mim föreslår utseendet av en dielektrisk avslappningstopp vid låga frekvenser och förblir konstant med ökande temperatur. Detta beteende är liknande och observerat i tidigare verk . Värdena under maximal topp bestäms av laddningsbärarna som rör sig på långa avstånd, medan bärarna är begränsade till potentiella brunnar som är mobila på korta avstånd bestämmer värdena över maximal topp.

5. Slutsats

dielektrisk konstant, dielektrisk förlust, AC-konduktivitet och elektrisk modul av PEcbz-Ter undersöktes i frekvensområdet 1 kHz–2 MHz och temperaturområde från R. T till 120 C. x-ray har gjorts och visar kristallina regioner i vår polymer. Den verkliga delen av dielektricitetskonstanten har starkt frekvens / temperaturberoende vid höga frekvenser, en minskning med ökande frekvens, medan en ökning med ökande temperatur vid låg frekvens. Den imaginära delen av dielektrisk konstant visar liknande beteende som en funktion av temperatur och frekvens. Dielektrisk förlust ökar med ökande temperatur och värdena är under 1% vilket gör sampolymeren lämplig för många energilagringsapplikationer. AC-konduktiviteten verkar öka med ökande frekvens och en minskning med uppkomlig temperatur. Den lämpliga modellen för var den korrelerade barriärhoppningsmodellen (CBH). Aktiveringsenergin minskar med ökande frekvens. Dessa resultat är lovande jämfört med andra i litteraturen; detta kan utnyttjas för att undersöka mer i dielektriska och elektriska egenskaper hos organiska material.

datatillgänglighet

de experimentella data som används för att stödja resultaten av denna studie kommer att göras tillgängliga på begäran.

intressekonflikter

författarna förklarar inga intressekonflikter.

bekräftelser

Lämna ett svar

Din e-postadress kommer inte publiceras.