Реактивная парофазное осаждение конъюгированных полимерных пленок на произвольные подложках

Резюме

Этот документ представляет протокол для реактивной парофазное осаждение poly(3,4-ethylenedioxythiophene), poly(3,4-propylenedioxythiophene) и поли (thieno [3,2 -b] тиофен) пленок на стекла слайды и грубой субстратов, например, Текстиль и бумаги.

Аннотация

Мы демонстрируем метод конформно покрытия конъюгированные полимеры на произвольные подложках с использованием специально разработанных, низкого давления реакционной камере. Электропроводящие полимеры, poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) и poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT) и полупроводниковых полимеров, поли (thieno [3,2 -b] тиофен) (ППЗ), были депонированы на нетрадиционные весьма разупорядоченных и Текстурированные субстратов с высокой поверхностей, таких как бумага, полотенца и ткани. Это сообщил палате в осаждения представляет собой улучшение предыдущих пара реакторов потому, что наша система может вместить летучих и нелетучих мономеров, такие как 3,4-propylenedioxythiophene и thieno [3,2 -b] тиофен. Утилизация твердых и жидких окислителей также продемонстрировал. Одно ограничение этого метода является, что ей не хватает сложные в situ толщина мониторов. Полимерные покрытия методами часто используемые покрытие на основе решения, такие как спин покрытия и поверхности прививки, часто не единообразного или подвержены механическим деградации. Об этом сообщено метод осаждения паров этапе преодолевает эти недостатки и является серьезной альтернативой общих методов покрытие на основе решения. В частности полимерных пленок с покрытием методом сообщил единообразных и конформных на шероховатых поверхностях, даже в масштабе микрометра. Эта функция позволяет для будущего применения пара на хранение полимеров в электронных устройств на гибкой и высоко текстурированными субстратов.

Введение

Полимерные проведения и полупроводниковые материалы обладают уникальными свойствами, как гибкость¹, растяжимость², прозрачности³и низкой плотности,⁴ который чрезвычайные возможности для создания следующего поколения электронных устройств на нетрадиционных подложек. В настоящее время многие исследователи стремятся воспользоваться преимуществами уникальных свойств полимерных материалов для создания гибких и/или wearable электроника^5,6 и⁷смарт-текстиль. Однако способность конформно пальто высоко текстурированной поверхности и не надежные субстратов, например, бумаги, ткани и нитки/нити, по-прежнему unmastered. Чаще всего Полимеры являются синтезируется и покрытием на поверхности с помощью методов решения. ^{8 , 9 , 10 , 11 , 12} хотя методы решения обеспечивают полимерным покрытием волокон/Текстиль, полученные таким образом покрытий часто неоднородной и легко повреждены малых физических напряжений^,1314 . Методы решения также не применяются для покрытия бумаги вследствие смачивания проблем.

Реактивной парофазное осаждение можно создавать фильмы конформное конъюгированные полимер на разнообразных субстратах, независимо от поверхности химия/композиция, энергии поверхности и рельефа шероховатости¹⁵. В этом подходе конъюгированные полимеры синтезируются в паровой фазе, одновременно обеспечивая мономера и окислитель паров к поверхности. Формирования полимеризации и фильма происходит на поверхности в шаге один, без растворителя. Этот метод теоретически применим к любой конъюгированные полимер, который может быть синтезировано окислительной полимеризации, используя методы решения. Однако на сегодняшний день известны протоколы для пополнения только узкий набор структур конъюгированные полимер. ¹⁵

Здесь, мы демонстрируем осаждения проводящих poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) и poly(3,4-propylenedioxythiophene) (PProDOT) и полупроводниковые поли (thieno [3,2 -b] тиофен) (PTT) фильмы через реактивной парофазное осаждение. Два вида окислителей, твердых FeCl₃ и жидких Br₂, используются в процессе. Соответствующие полимеров названы Cl-PProDOT, Cl-PTT и БР-PEDOT. Как обычные субстраты, стеклянных скольжениях, так и нетрадиционные текстурированной субстратов, таких как бумага, полотенца и ткани, были покрыты полимерной пленки.

Этот протокол описывает настройку камеры осаждения паров под заказ и детали процесса осаждения. Он предназначен для новых практикующих строить их осаждения системы и избежать распространенных ошибок, связанных с паровой фазе синтеза.

протокол

Читать MSDS для реагентов и следовать все меры химической безопасности, как предусмотрено в вашем учреждении.

1. осаждения Cl-PProDOT и Cl-PTT

1. Построить структуру заказных трубчатых пара осаждения камеры, как показано на рисунке 1.
   1. Сделать 1/4-дюйма (наружный диаметр, O.D.) плавленый кварц стороне входе 2 дюйма (ОД) плавленого кварца метро. Делают холодную ловушку с заказ трубки из нержавеющей стали 1-дюйма U-образной формы и Дьюара.
   2. Подключите кварцевая трубка с вакуумный датчик и холодную ловушку с помощью соединителей KF из нержавеющей стали и муфты быстрого соединения. Мономер в ампулы кварца и подключить ампулы в трубчатых камеру через 1/4-дюйма быстрого соединения, муфты и игольчатый клапан. Место окислителя в тигле в камере.
   3. Использование отдельного нагрева пленки как Отопление источники для окислителя, субстратов и мономера. Добавьте вход газа в правом конце камеры ввести дополнительные благородные газы для контроля давления при необходимости.
2. Осаждения Cl-PProDOT
   1. Добавьте 50 мг 3,4-propylenedioxythiophene (ProDOT) в ампуле мономера и подключить его к палате трубчатые. Игольчатый вентиль Оставьте открытым.
   2. Положите субстратов (стеклянное скольжение, тканей, бумаги, и т.д.) в камере. Размер подложек-1,3 см x 2,5 см.
   3. Добавьте 50 мг FeCl₃ в 5-мл тигель и поместите его в камере.
      Примечание: Относительные позиции входе мономера, субстратов и тигель показаны на рисунке 1. Расстояние между входным мономера и тигель – 13 см.
   4. Включите насос. Медленно закройте клапан на правом конце камеры. После камеры давление будет ниже 525 mTorr (70 Па), добавить жидкого азота в холодную ловушку.
   5. Оберните три зоны Отопление с подогревом ленты и подключить Отопление ленты для регуляторов температуры.
   6. Когда давление уменьшается до обработки давлением (52.5 mTorr, 7 ПА), закройте игольчатый клапан мономера контейнера.
   7. Начните, Отопление окислителя, субстратов и мономера в 170 ° C, 80 ° C и 80 ° C, соответственно. После ~ 10 мин испаряется FeCl₃ и красный FeCl₃ твердых образуется в регионе прохладно.
   8. Откройте игольчатый клапан мономера контейнера.
      Примечание: Синего цвета тонких пленок будет формироваться в регионе субстрата. Типичный рост являются ~ 10 Нм/мин обеспечить FeCl,₃ пара образуется в зале перед открытием игольчатый клапан мономера контейнера. В противном случае мономер будет реагировать с FeCl₃ твердых в тигель и полимерный слой, который предотвращает дальнейшее испарение окислителя.
   9. Закройте игольчатый клапан мономера контейнера после достижения желаемой толщины. Выключите все Отопление ленты и охлаждения системы до комнатной температуры.
   10. Откройте клапан впуска газа и выключить насос.
   11. Взять образцы из камеры. Осторожно опускайте образцы в метаноле 30 мин для удаления остаточных окислителей и мономера.
       Примечание: Время для ополаскивания следует увеличить увеличении толщины пленки. ополаскивания 30-мин является типичным для фильмов, тоньше, чем 100 Нм на стеклянных вставках. Фильмы, толще, чем 500 Нм может расслаиваться от субстрата, когда полоскания.
   12. Тщательно высушите образцы с газом азота.
3. Осаждения Cl-PTT
   1. Добавьте 50 мг thieno [3,2 -b] тиофен (TT) в ампуле мономера и подключить его к палате трубчатые. Игольчатый вентиль Оставьте открытым.
   2. Повторите шаги 1.2.2. для 1.2.12.

2. осаждения Br-PEDOT

1. Настройка камеры осаждения
   1. Добавьте дополнительные 1/4-дюйма стороне впуска для окислителей кварцевая трубка и сделать его 8 дюймов помимо входе мономера. Место жидкий окислитель в ампулы кварца и подключить ампулы в трубчатых камеру так же, как мономер (рис. 2).
2. Осаждения Br-PEDOT
   1. Добавьте 2 мл 3,4-ethylenedioxythiophene (EDOT) в ампулы мономера и соедините ампулы в трубчатых камеру. Игольчатый вентиль Оставьте открытым.
   2. Место субстратов (стеклянное скольжение, тканей, бумаги, и т.д.) в зале трубчатых возле входе пара мономера. Размер субстрата составляет 1,3 см x 2,5 см.
   3. В Зонта добавить 2 мл Br₂ ампулы окислителя, подключите ампулы игольчатый клапан и держать игольчатый клапан закрыт. Игольчатый клапан соединиться кварцевая трубка.
      Осторожностью: Br₂ является опасных материалов. Будьте внимательны при обработке.
   4. Включите насос. Медленно закройте клапан на правом конце камеры. После камеры давление будет ниже 525 mTorr (70 Па), добавить жидкого азота в холодную ловушку.
   5. Оберните регионе мономера с подогревом ленты и подключить его с контроллером температуры. Поддерживать регионе субстрата и окислитель при комнатной температуре.
   6. Когда давление уменьшается до обработки давлением 52,5 mTorr (7 ПА), откройте игольчатый клапан окислителя.
      Примечание: Реакция очень быстро. Синий PEDOT фильмов будет форме рядом входе мономера, потому что Br₂ является весьма неустойчивым.
   7. Закройте клапаны игольчатые мономера и окислителя, когда достичь желаемой толщины.
   8. Выключить Отопление ленты и охлаждения системы до комнатной температуры.
   9. Откройте клапан впуска газа и выключить насос. Взять образцы из камеры.
      Примечание: Ополаскивание не требуется для Br₂-легированные полимеры.

Результаты

Толщина пленки Cl-PProDOT, сформированные на 1,3 см x 2,5 см стекло слайды размещены на дискретных боковой позиции вдоль центральной трубки были измеряется профилометра (рис. 3). Проводимости были рассчитаны от сопротивления измерений с помощью испытательной с...

Обсуждение

Механизм реакции является окислительной полимеризации. Полимерные покрытия методы, с помощью того же механизма включают electropolymerization¹⁷ и пара фаза полимеризации¹⁸. Electropolymerization требует проводящих подложке, не хватает преимущество единообразных и конформное пок?...

Материалы

Name	Company	Catalog Number	Comments
3,4-Ethylenedioxythiophene, 97%	Sigma Aldrich	483028
3,4-Propylenedioxythiophene, 97%	Sigma Aldrich	660485
Thieno[3,2-b]thiophene, 95%	Sigma Aldrich	702668
FeCl3, 97%	Sigma Aldrich	157740
Br2	Sigma Aldrich	207888