Исследование синтезированных полупроводниковых полимеров

АННОТАЦИЯ

В статье представлена информация о синтезе и исследовании полупроводниковых полимерных материалов, используемых в солнечных батареях. В основном, изучено фотохимические свойства и области применения полианилина являющимся одним из полупроводниковых полимерных веществ, а также условия полимеризации и данные изображения полианилина в сканирующем электронном микроскопе. Исследовано влияние морфологии поверхности полимера на проницаемость и электропроводность.

АBSTRACT

The article provides information on the synthesis and research semiconductor polymer materials used in solar cells. Basically, the photochemical properties and fields of application of polyaniline, which is one of the semiconducting polymeric substances, as well as the polymerization conditions and image data of polyaniline in a scanning electron microscope have been studied. The influence of the morphology of the polymer surface on the permeability and electrical conductivity was studied.

Ключевые слова: электропроводность, полупроводниковые полимеры, полианилин, фотохимия, нанокомпозит.

Keywords: electrical conductivity, semiconducting polymers, polyaniline, photochemistry, nanocomposite.

Введение. Многие высокомолекулярные соединения являются полупроводниковыми полимерными веществами, и сегодня эти свойства стали предметом интенсивных исследований многих ученых-исследователей из-за электропроводности полимерных материалов. Полупроводниковые полимерные материалы в основном используются в качестве нанокомпозитных материалов для производства энергии в солнечных батареях, микроэлектронике, оптических материалах, в инженерной фотоэлектронной промышленности на основе полимерных материалов. Электропроводящие полимеры также называют органическими металлами, потому что хоть они и не содержат атомы металлов, их электропроводность покрывает область проницаемости неорганических полупроводников и близка к пределам проницаемости металлов [1]. Сегодня супернанокомпозиторы на основе полупроводниковых полимеров используются в органических солнечных батареях, биосенсорах, гибких прозрачных дисплеях и жидкокристаллических дисплеях (ЖК-дисплеях), таких как компьютерные мониторы, телевизоры, телефоны, цифровые камеры, электронные книги, навигаторы, калькуляторы и часы, а также мы можем сказать, что они является многообещающими заменителями оксидов индия и таллия для жидких экранов электротехнических мониторов и других демонстрационных электронных устройств [2,3].

Электропроводность металлов и полупроводниковых полимеров отличается друг от друга не только по количеству, но и по важным качественным аспектам. Например, с повышением температуры электрическое сопротивление металлов увеличивается (электрическая проводимость уменьшается), в то время как электрическое сопротивление полупроводников уменьшается, а проводимость увеличивается [4].

Электропроводность металлов не меняется под воздействием света, а электропроводность полупроводников может увеличится во много раз. Электрические и оптические показатели полупроводников значительно более чувствительны к внешним воздействиям, чем у металлов [5,6].

Экспериментальная часть. Подготовка материалов. Сырье: анилин, персульфат аммония, 1М-ная соляная кислота и аммиак были использованы в этом исследовании.

Свойства синтезированного полимера исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ) JEOL JSM-5800LV.

Электропроводность синтезированного полимера измерили с помощью цифрового мультиметра DT 9205A.

Синтез полианилина из персульфата аммония и анилина. Первоначально взвесили реагенты персульфат аммония и анилина в массовой соотношении 1:1,5. Добавили 1 моль/л раствора соляной кислоты к измеренному анилину и перемешивали, пока смесь не станет бесцветной. Затем реакцию проводили при комнатной температуре путем медленного добавления по каплям 10%-ного раствора измеренного персульфата аммония к смеси анилина и соляной кислоты. Цвет раствора постепенно становится синим, а затем меняется на зеленый, что указывает на образование полиэмиралдина, промежуточного продукта. Полученный осадок фильтровали, несколько раз промывали соляной кислотой и сушили в сушильном шкафу 3 часа. Полученный продукт представляет собой соль полиэмиралдина зеленого цвета. Для получения основания полиэмиралдина, гидрохлорид полиэмиралдина обрабатывали водным раствором аммиака в течение 1 часа и фильтровали с использованием воронки Бьюхнера для отделения порошка полианилина от полученного раствора, затем полученный фильтрат сушили в вакуумной сушильной печи при 60 °C. Высокий выход реакции зависит от чистоты исходных реагентов, скорости добавления окислителя, а также от возможности проведения реакции при низких температурах. Механизм реакции протекает с образованием радикал-катиона р-аминодифениламина, а после образования аминодифениламина начинается рост полианилиновой цепи. В этом случае скорость реакции увеличивается пропорционально количеству образовавшихся реакционных центров, и в то же время кислотность среды увеличивается за счет высвобождения протонов. Одним из побочных продуктов реакции, образующийся в основном в кислой среде, является бензидин. В процессе полимеризации цвет реакционной смеси меняется с синего на темно-синий. Общий вид реакции полимеризации полианилина можно выразить следующим образом:

Синтез высокопроницаемых полимерных веществ и их изучение в различных областях - одна из актуальных задач.

Результаты и их обсуждение. Морфологические свойства полученного полианилинового полимера были измерены с помощью электронного микроскопа СЭM.

Рисунок 1. Изображение морфологии частиц полианилина в СЭM, синтезированных при 25^° C

Рисунок 2. Изображение морфологии частиц полианилина в СЭM, синтезированных при 0^° C

СЭМ-изображения синтезированного при 25^°C полианилинового полимера с увеличением 100, 500, 1000 раз показаны на рисунке 1. Как видно из этих изображений, структура частиц полианилинового полимера синтезированного при 25^°C равномерная, а частицы полианилинового полимера синтезированного при 0^°C состоят в основном из неравномерно расположенных зерен и острых краев, кроме того его структура более пористая чем структура частиц полианилина синтезированного при 25^°C (Рисунок 2).

А также, из изображений полианилинового полимера, синтезированных при 0⁰С и 25⁰С, можно отметить, что наночастицы полианилина, синтезированные при 25⁰С, имеют небольшую площадь поверхности из-за их почти равномерного распределения. В результате они препятствуют попаданию фотонов солнца вовнутрь молекулы, из-за этого удельное сопротивление увеличивается, а коэффициент пропускания уменьшается. Наночастицы полианилинового полимера синтезированного при 0⁰С, слиплись друг с другом с образованием небольших кластеров, а сам полимер имеет неровную поверхность. Частицы полианилинового полимера, синтезированные при низких температурах, имеют высокую удельную поверхность, эти свойства увеличивают светособирающую способность полупроводникового полианилинового полимера, что приводит к снижению удельного сопротивления и увеличению проводимости.

При тестировании на цифровом мультиметре DT 9205A было обнаружено, что электропроводность полианилинового полимера, синтезированного при 25⁰С, составляет 1,35x10^-2 S/sm^-1. Электропроводность полианилинового полимера, синтезированного при 0⁰С, составляет 1,98x10^-2 S/sm^-1. Это озночает что, полианилиновый полимер синтезированный при 0⁰С является более оптимальным вариантом получения полупроводниковых полимерных материалов для солнечных батарей, чем полианилиновый полимер синтезированный при 25⁰С.

Выводы. Таким образом, реакцию полимеризации персульфата аммония и анилина, полученных в массовой соотношении 1:1,5 проводили при температуре от 0 до 25°C. В результате полученные вещества проанализированы методом СЭМ и цифровым мультиметром DT 9205A. По результатам анализов СЭМ и цифрового мультиметра DT 9205A, можно сказать, что электропроводность полимера синтезированного при 0°C больше чем полимера синтезированного при 25°C.

Список литературы:

1. Шукуров Д. Х.,Тураев Х. Х., Каримов М.У., Джалилов А.Т., // Солнечные батареи на основе электропроводящих полимерных веществ// Х международной научно-практической конференции «global science and innovations 2020: central asia» 17 августа 2020 года в городе Нур-Султан (Астана), Казахстан. C.29-32.
2. Шукуров Д. Х.,Тураев Х. Х., Каримов М.У., // Использование полупроводниковых полимерных материалов и их специфические свойства// Современное состояние и перспективы науки о функциональных полимерах , Сборник статей Республиканской научно-практической конференции, 19-20 марта 2020 г.Ташкент. C. 24-25.
3. Oueiny C., Berlioz S., Perrin F.-X. Carbon nanotube–polyaniline composites // Prog. Polym. Sci. – 2014. – V. 39. – № 4. – P. 707–748.
4. Palaniappan S., John A. Polyaniline materials by emulsion polymerization pathway // Prog. Polym. Sci. – 2008. – V. 33. – № 7. – P. 732–758.
5. Stejskal J., Gilbert R.G. Polyaniline. Preparation of a conducting polymer (IUPAC  Technical Report) // Pure Appl. Chem. – 2002. – V. 74. – № 5. – P. 857–867.
6. Trivedi D. С. In Handbook of organic conductive Molecules and Polymers, H.S. Nalwa  (Ed). Vol.2 pp.505-572. Wiley,Chichester.1997.