Versuch Leitfähige Polymere (engl. Conductive Polymer)

Universität Kassel, Fortgeschrittenenpraktikum, Lehramtstudiengang
Versuch Leitfähige Polymere (engl. Conductive Polymer)
Themenbereiche
Konjugierte Polymere, Elektropolymerisation, dünne Filme, (spezifische) Leitfähigkeit,
(spezifischer/Flächen-) Widerstand, Stromdichte, elektrisches Feld, Rotationsbeschichtung
(engl. Spin-Coating).
Aufgabe
1. Herstellung konjugierter Polymerfilme durch elektrochemische Polymerisation
2. Herstellung dünner Filme durch Rotationsbeschichtung und
3. Bestimmung der Leitfähigkeit durch Vier-Punkte-Messung.
Theorie
Der spezifische Widerstand ρ (Ω m), auch als Resistivität bezeichnet ist als Proportionalitätskonstante zwischen dem elektrischen Feld E (V/m) und der Stromdichte J (A/m2) definiert:
E=ρ J
[1]
Der Kehrwert von ρ ist die spezifische Leitfähigkeit σ (S/m) des Leiters.
σ = 1/ρ
[2]
bzw. J = σ E.
[3]
Für Halbleiter mit Elektronen und Löchern als Ladungsträger gilt:
ρ=
1
σ
=
1
qμ n n + q μ p p
[4]
wenn n>>>p, wie im n-Halbleiter
ρ≈
1
qμ n n
[5]
Hier, n ist die Konzentration von Elektronen (1/m3), p ist die Konzentration von Löchern
(1/m3), µn ist die Elektronenbeweglichkeit (m2/Vs), µn ist die Löcherbeweglichkeit (m2/Vs)
und q ist die elektrische Ladung (Coulomb).
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Abb. 1. Korrekturfaktor für Vier-Punkte-Messungen (ref. 1)
Zur Bestimmung der spezifischen Leitfähigkeit einer Schicht wird vorwiegend die VierPunkte-Messungen angewendet. Bei diesem Verfahren wird über zwei punkförmige
Elektroden, die mit der Proben-Oberfläche kontaktiert sind, ein eingeprägter Gleichstrom I
zugeführt. Zwei weitere Elektroden, die sich grundsätzlich an beliebiger Stelle am Substrat
befinden können, dienen zum Abgriff des Potenzials, das sich je nach Leitfähigkeit der
Schicht einstellt. Im Allgemeinen werden die Elektroden kolinear angeordnet und in einem
Messkopf integriert. Um die Meßmethode zu vereinfachen, werden alle vier Messspitzen
äquidistant im Abstand s platziert (Siehe Abbildung 1). Ebenso ist es üblich die äußeren
Elektroden zur Stromzufuhr und die inneren zum Spannungsabgriff zu verwenden. Für dünne
Filme mit einer Schichtdicke W <<< a oder d ist der Flächenwiderstand Rs definiert als:
Rs (Ω / Fläche) =
V
CF
I
[6]
Hierbei ist CF ist ein Korrekturfaktor. Der Widerstand ist dann:
ρ = Rs W
(Ω cm)
[7]
Wenn d>>>>s, (s ist der Abstand zwischen zwei Proben), ist der Korrekturfaktor π/ln 2 (=
4.54). Diese Konfiguration hat sich weitgehend bei praktischen Anwendungen durchgesetzt
und wird deshalb auch für die weiteren Betrachtungen vorausgesetzt.
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In Abwesenheit des elektrischen Feldes bewegt sich ein Elektron im Silizium mit der
7
mittleren thermischen Geschwindigkeit von etwa 10 cm/s chaotisch um seine Ausgangslage.
-12
Die mittlere Driftgeschwindigkeit ist daher gleich Null. Im Durchschnitt legt es in 10 s
-5
(Stoßzeit) etwa 10 cm (mittlere freie Weglänge) zurück, nach denen es in einer zufälligen
Richtung an einer Gitterstörstelle gestreut wird. Legt man ein elektrisches Feld an, dann wird
das Elektron bevorzugt gegen die Richtung des elektrischen Feldes gestreut und bewegt sich
daher mit einer von Null verschiedenen Driftgeschwindigkeit v. Der Proportionalitätsfaktor
zwischen der elektrischen Feldstärke und der Driftgeschwindigkeit ist die Beweglichkeit: vn =
-μn E für Elektronen bzw. vp = μp E für Löcher.
Abb. 2. Bewegung der Elektronen ohne (E=0) und mit (E≠0) elektrischem Feld
Die lineare Proportionalität zwischen der Feldstärke und der Ladungsträgergeschwindigkeit
gilt nur für nicht allzu große Felder. Bei starken Feldern wird die Zeit zwischen zwei
aufeinanderfolgenden Stößen der Ladungsträger mit den Störstellen immer kürzer und damit
auch die Zeit in der sie beschleunigt werden können. Das führt zu einer Sättigung der
Ladungsträgergeschwindigkeit. Das elektrische Feld verursacht einen Driftstrom von
Ladungsträgern wobei die Stromdichte durch das Produkt der Ladungsträgerdichte (n, p) und
der Driftgeschwindigkeit (vn, vp) gegeben ist:
j = q n vn = q n µn E
[8]
μn ist die Elektronenbeweglichkeit:
vn = µn E
[9]
Sind beide Ladungsträgerarten (Elektronen und Löcher) beteiligt, dann ist der Totalstrom:
j = q (n µn + p µp)E
[10]
oder
j=σE
[11]
Die Gleichung (11) ist die gleiche wie Gleichung (3).
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Abb. 3. Spin-Coater
Die Rotationsbeschichtung (engl. Spin-Coating) ist ein Verfahren zum Auftragen dünner und
gleichmäßiger Schichten bzw. Filme auf ein Substrat (Siehe Abb. 3). Das Substrat z. B.
Silizium oder Glas, wird auf einem Drehteller, dem Chuck, mittels Vakuumsaugung an der
Unterseite fixiert. Mit einer Dosiereinrichtung über dem Zentrum des Substrats wird die
gewünschte Menge der Lösung aufgebracht. Beschleunigung, Enddrehzahl und Zeit werden
am Spin-Coater eingestellt und die Lösung wird gleichmäßig über die Substratoberfläche
verteilt. Um eine feste Schicht zu erhalten, ist es notwendig, das Lösungsmittel zu entfernen.
Dies kann durch anschließendes Aufheizen beschleunigt werden. Die resultierende
Schichtdicke ist sehr stark abhängig von der Viskosität des Lösung, der Drehgeschwindigkeit,
Beschleunigung und Prozessdauer des Spin-Coatings. In der konventionellen Mikroelektronik
sind Schichtdicken von 1 µm und darunter üblich. Im Gegensatz dazu sind Schichtdicken von
< 100 nm in für organische Halbleiter üblich. Außerdem verwendet man sehr oft ITO als
transparentes Substrat für organische Halbleiter. Indium-Zinn-Oxid (engl. ITO, Indium-TinOxide) ist ein Stoff, der halbleitend und transparent ist. Es ist ein Mischoxid aus Indiumoxid
und Zinnoxid, dessen Herstellung allerdings relativ teuer ist. Üblicherweise wird dotiertes
ITO eingesetzt, das fast Leitfähigkeit erreicht.
Versuchsvorbereitung
Vorbereitung der Glasoberfläche und des ITO-Substrats
Glasoberfläche und ITO-Substrat müssen sehr gründlich gereinigt werden, damit die
Materialien haften bleiben. Zur Reinigung wird ein baumwollfreies Tuch verwendet. Das
Substrat wird nach folgender Prozedur gereinigt:
• abwischen mit entmineralisiertem Wasser.
• abwischen mit Aceton.
• abwischen mit iso-Propanol.
• gut trocknen.
• Staubpartikel und Glaspulverreste (vom Schneiden) entfernen.
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Versuch
Aufgabe 1:
Herstellung von Polypyrrolfilmen durch elektrochemische Polymerisation
H
*
H
N
H
N
H
N
N
N
N
N
H
H
H
*
n
Polypyrrol
•
•
•
Setzen Sie 100 mL einer wässrigen Lösung an, die 0.25 molar an Pyrrol und 0.01
molar an Natrium-p-toluolsulphonat sein soll.
Füllen Sie so viel der Lösung in die Elektrolysezelle ein, bis das ITO ca. 5 mm
eintaucht, aber die Krokodilklemme nicht feucht wird.
Führen Sie folgende Messung zweifach aus.
Stromstärke (µA)
300
300
400
400
500
500
600
600
•
Zeit (min)
8
4
8
4
8
4
8
4
Danach wird der Polymerfilm mit Wasser und anschliessend mit Aceton gewaschen.
Dabei löst der Film von der Elektrode ab und es wird auf Glas aufgebracht.
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BNC Steckverbindung
Hochspannungsquelle
-
+
A
Anode
(ITO)
Kathode
(Pt)
Lösung: 0.25 mol/L Pyrrol und
0.01 mol/L Natrium p-Toluolsulphonat
Abb. 4. Versuchaufbau der Elektropolymerisation von Pyrrol
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Abb. 5. Das Foto der Versuchaufbau der Elektropolymerisation von Pyrrol
Aufgabe 2
Herstellung dünner Filme von PEDOT:PSS durch Rotationsbeschichtung
Poly(3,4-ethylenedioxythiophen:Poly(styrolsulfonsäure) oder PEDOT: PSS
Filtration: Vor der Beschichtung des Glases mit PEDOT:PSS muss die Dispersion filtriert
werden, um eventuell vorhandene Gelpartikel oder getrocknete Partikel abzutrennen. Gute
Filtrationsergebnisse werden erzielt durch die Benutzung von Spritzen mit 0,45 μm Millex 25
PVDF-Spritzenfilter (PTFE wird nicht empfohlen). Beachten Sie, dass einmal eingetrocknetes
PEDOT:PSS nur sehr schwer wieder zu dispergieren ist. Getrocknete Partikel in der Lösung
verstopfen den Filter. Aus diesem Grund sollten Spritzen und Filter nicht mehrfach benutzt
werden. Weiterhin sollte das PEDOT:PSS-Vorratsgefäss nur geöffnet werden, um die
benötigte Menge zu entnehmen. Unbenutzte Substanz sollte nicht zurück in das Vorratsgefäß
geschüttet werden.
Spin-Coating von PEDOT:PSS: Die Schichtdicke von PEDOT:PSS nach dem Spin-Coating
auf Glas wird durch folgende Parameter bestimmt:
• Drehgeschwindigkeit
• Beschleunigung
• Dauer des Spin-Coating
• Substratgröße
• Qualität der vorbereiteten Glasoberfläche
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Abb. 6. Schichtdicke in Abhängigkeit der Drehgeschwindigkeit.
Trocknung des PEDOT:PSS-Films: Die Abbildung 6 zeigt uns die Zusammenhang zwischen
die Drehgeschwindigkeit und die Schichtdicke. Nach dem Spin-Coating wird der Film für ca.
5 min bei 100-200°C auf einer heißen Platte getrocknet. Dazu wird die Probe mit einer
Petrischale so abgedeckt, dass die Temperatur konstant bleibt, aber gleichzeitig ein gewisser
Luftaustausch stattfinden kann. PEDOT:PSS-Filme sind hygroskopisch und sollten unter
Feuchtigkeitsausschluss gelagert werden.
Aufgabe 3
Bestimmung der Leitfähigkeit durch Vier-Punkte-Messung.
Es soll der Flächenwiderstand von verschiedenen Polypyrrolfilmen gemessen werden, die
durch unterschiedliche Elektropolymerisations-Bedingungen hergestellt wurden. Messen Sie
auch den Flächenwiderstand der PEDOT:PSS-Filme. Daraus soll die entsprechende
Leitfähigkeit bestimmt werden.
Literatur
1
2
S. M. Sze and K. K. Ng, Physics of Semiconductors, John Wiley & Sons, New York,
2007.
Handbook of Organic Conductive Molecules and Polymers, Edited by H. S. Nalwa,
Vol. 2, Chapter 10. “Polypyrroles: from Basic Research to Technological
Applications”, John Wiley and Sons, 1997.
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