PEDOT交流电沉积制备及其物质输运机理

论文摘要

物理化学流体动力学是近代流体力学的一个重要分支,主要讨论流体流动与物理、化学等过程的相互作用关系。在电化学沉积过程中,反应物质首先要从电解质溶液中输运到电极表面,之后在电极表面发生反应,沉积在电极表面。在电解质溶液中物质的输运模型主要包括:扩散、电迁移和对流。当电化学反应的电信号是交流电时,由于电场的不均匀分布,粒子将发生极化,产生电力矩。在交流不均匀的电场中,极化的粒子将受介电泳力产生运动。基于物理化学流体动力学理论,本文主要做了以下工作:1、使用3,4乙烯二氧噻吩（EDOT）与聚（4-苯乙烯磺酸钠（NaPSS）的混合水溶液为电解液,采用交流电化学聚合沉积的方法,在Pt微电极间通过调整聚合过程中的电学参数（通过改变电压幅值、频率、直流偏置）等,制备出具有不同形貌结构（膜状、枝晶状、线状）的聚（3,4乙烯二氧噻吩）:聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）结构。使用扫描电子显微镜（SEM）、原子力显微镜（AFM）和拉曼光谱（Raman Spectra）对其进行表征分析。结果表明:（1）电压幅值越高,电极上产生相应的成核位点越多。（2）电压频率影响沉积形成PEDOT:PSS形貌特征,当频率升高时,形貌从膜状变成枝晶状和线状。（3）直流偏置影响沉积过程的物质生长方向,PEDOT:PSS更倾向于在正偏压处生长。（4）电压幅值和频率会对PEDOT:PSS分子结构产生影响。电压幅值增大,频率升高,PEDOT:PSS出现表面凹凸不平、内部形成孔洞、断链等结构缺陷2、采用计时电流法、循环伏安法和交流电化学阻抗谱研究了EDOT单体与PSS-在聚合沉积过程中的微流体传质机理。结果表明:（1）EDOT单体的氧化电位是+0.9V,过氧化电位是+1.2V。（2）聚合沉积的过程中,扩散受限,电极反应速率受溶液中反应物质传质速率限制。（3）聚合沉积反应过程主要分为两个步骤:1）EDOT单体和PSS-物质吸附在电极表面。2)EDOT和PSS-在电极表面聚合沉积,形成PEDOT:PSS。（4）电化学聚合沉积过程与物质在溶液中的传质过程在同一时间常数内,两个过程相互影响。3、并用COMSOL软件进行仿真模拟,验证输运机理的正确性。利用溶液中的物质的输运机理,来解释实验现象。结论如下:（1）在电化学聚合沉积过程中,EDOT单体氧化形成阳离子自由基。阳离子自由基会沿着电场方向产生电迁移,与其他单体发生反应,会聚合形成二聚体。二聚体继续氧化聚合,形成低聚物。（2）中性粒子如单体、二聚体和低聚物在不均匀电场中受到介电泳力的作用,集中在电极对之间的中心区域。（3）当中心区域的粒子浓度变高,当粒子足够接近,彼此间将通过聚合力形成偶极子。（4）当电压幅值越大、频率越高,介电泳力,电泳力以及分子将的聚合力将越大,聚合形成的PEDOT:PSS结构则更加紧密。4、使用3,4乙烯二氧噻吩（EDOT）与聚(4-苯乙烯磺酸钠（NaPSS）的混合水溶液为电解液,采用交流电沉积法在Pt微电极对之间制备沉积形成薄膜、线、枝晶等不同形貌结构的有机半导体（OS）沟道层。以NaCl电解质作为栅介质,Ag/AgCl电极作为栅极,一对Pt微电极中一个为源极,另一个为漏极,制备形成有机电化学晶体管（OECT）。对器件性能进行分析,结果如下:（1）对不同形貌结构的PEDOT:PSS沟道层的OECTs器件性能进行分析,结果表明,膜状沟道层器件的性能最好。（2）使用石墨烯量子进行掺杂,探究掺杂石墨烯量子点对器件性能的影响。结果表明,当电解液GQDs的质量浓度为2μg?L时,制备的OECTs的性能最好。（3）对交流电化学聚合沉积制备膜状有机半导体沟道层的OECTs进行重复性实验,结果表明,微电极尺寸一样,采用相同的电学参数,这种方法拥有良好的重复性。

论文目录

• 摘要
• abstract
• 第一章 绪论
•   1.1 引言
•   1.2 PEDOT:PSS
•     1.2.1 导电高分子简介
•     1.2.2 PEDOT:PSS简介
•     1.2.3 PEDOT:PSS的应用
•     1.2.4 PEDOT:PSS的制备
•   1.3 电沉积中物质输运机理研究
•     1.3.1 电沉积的主要特征
•     1.3.2 “电极/溶液”界面的基本性质
•     1.3.3 “电极/溶液”界面附近的溶液中的传质过程
•   1.4 主要研究内容
• 第二章 交流电沉积PEDOT：PSS纳米结构
•   2.1 引言
•   2.2 实验部分
•     2.2.1 试剂与仪器
•     2.2.2 微电极的制备
•     2.2.3 电解液配制
•     2.2.4 实验过程
•   2.3 结果与讨论
•     2.3.1 扫描电子显微镜（SEM）
•     2.3.2 原子力显微镜（AFM）
•     2.3.3 拉曼光谱表征（Raman spectra）
•   2.4 本章小结
• 第三章 交流电沉积PEDOT:PSS输运机理
•   3.1 引言
•   3.2 实验部分
•     3.2.1 试剂与仪器
•     3.2.2 电解液配制
•     3.2.3 电化学测试
•   3.3 电化学分析
•     2.3.1 计时电流法
•     2.3.2 循环伏安法
•     2.3.3 交流电化学阻抗法
•   3.4 数值分析
•   3.5 本章小结
• 第四章 制备PEDOT:PSS有机电化学晶体管
•   4.1 引言
•   4.2 实验部分
•     4.2.1 试剂与仪器
•     4.2.2 电解液配置
•     4.2.3 有机电化学晶体管制备
•   4.3 结果与讨论
•     4.3.1 OECTs器件的性能测试
•     4.3.2 不同形貌的有机半导体沟道层对器件性能的影响
•     4.3.3 掺杂不同浓度石墨烯量子点对器件性能的影响
•     4.3.4 交流电沉积制备OECTs的重复性
•   4.4 本章小结
• 第五章 总结与展望
•   5.1 工作总结
•   5.2 工作展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间获得的学术成果

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李芒芒

导师: 贾月梅

关键词: 交流电沉积,物质输运机理,有机电化学晶体管

来源: 太原理工大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 力学

单位: 太原理工大学

分类号: O35

总页数: 70

文件大小: 4816K

下载量: 141