Kinga Sowa Toruń, dn. 28.01.2005

Piątek, 10¹⁵

ĆWICZENIE NR 9

Badanie zmian przewodnictwa elektrycznego w funkcji czasu domieszkowania akceptorami elektronów (I₂) dla poli(3-alkilotiofenu).

WSTĘP TEORETYCZNY

Przykładem polimeru przewodzącego prąd elektryczny jest polimer podstawiony związkami alkilowymi, np. poli(3-alkilotiofen).

Występują tu sprzężone wiązania Π - wiązania podwójne. Poli(tiofen) jest nierozpuszczalny, nietopliwy i trudno przetwarzalny, dlatego jego modyfikacja pozwala uzyskać polimer rozpuszczalny. Podstawnikami mogą być związki alkilowe większe lub równe butanowi (liczba atomów węgla większa niż 3). Taki podstawnik alkilowy powoduje rozszerzenie (oddalenie) merów, w związku z czym rozpuszczalnik może dyfundować do łańcucha.

Poza przewodzeniem prądu takie modyfikowane polimery wykazują aktywność optyczną (fotoluminescencja i elektroluminescencja). Aby zwiększyć przewodnictwo często stosuje się różnego rodzaju domieszki (zmniejsza się bariera energetyczna pomiędzy poziomami walencyjnym i przewodnictwa). Wyróżniono domieszki typu n i p. W przypadku półprzewodników domieszkowanych typu p elektrony są utrzymywane przez atomy domieszki i ich całkowita energia (poziom Fermiego) obniża się (leży bliżej pasma walencyjnego). Natomiast w przypadku półprzewodników domieszkowanych typu n elektrony uwalniane są z atomów domieszki i poziom Fermiego zbliża Siudo poziomu przewodnictwa. Cząstki domieszkujące dzieli się na:

• Akceptory elektronów - AlCl₃, FeCl₂, ZrCl₄, SbF₅, AsF₅, Br₂,I₂ itp.;

• Donory elektronów - litowce, głównie Li, Na, K w postaci nadchloranów;

W przypadku poli(3-alkilotiofenu) zastosowano jako domieszkę jod. Schemat domieszkowania jodem przedstawiono w poniższych równaniach:

(1)

(2)

W myśl równania (1) reaguje z jodem 50-60% polimeru, natomiast w myśl równania (2) reaguje 1-10% polimeru. Należy zwrócić uwagę, że jednocześnie następuje zmiana topologii wiązania. W miejsce pojedynczego wiązania wchodzi wiązanie podwójne. Możliwe jest również wystąpienie innych poligonów jak np.
, jednak ich ilość jest trudna do oszacowania.

Wiadomo, że przewodnictwo elektryczne rośnie ze spadkiem temperatury - dla metalu. W przypadku polimerów jest odwrotnie, ale zależy to również od rodzaju stosowanej domieszki.

OPIS WYKONANIA ĆWICZENIA

Pastylkę z naniesionymi elektrodami podłączono do aparatury pomiarowej, która została umieszczona w naczyniu zawierającym pary jodu o prężności par 10 torów. Pomiar został prowadzony w temperaturze 74˚C. Badanie prowadzono przy stałym napięciu zasilającym (20V) odczytując początkowo co 0,5 min, później co 2 min a na końcu co 5 minut wartość płynącego prądu.

OPRACOWANIE WYNIKÓW POMIARÓW

1. Uzyskane wyniki pomiarowe zestawiono w poniższej tabeli:

t [min]	I [A]
0,5	6,01·10^-8
1	1,74·10^-6
1,5	4,95·10^-6
2	5,00·10^-6
2,5	6,00·10^-6
3	6,87·10^-6
3,5	7,56·10^-6
4	8,42·10^-6
4,5	9,20·10^-6
5	9,70·10^-6
6	1,14·10^-^5
7	1,29·10^-^5
8	1,52·10^-^5
9	1,78·10^-^5
10	2,14·10^-^5
12	2,77·10^-^5
14	3,51·10^-^5
16	4,50·10^-^5
18	5,60·10^-^5
20	6,45·10^-^5
22	7,60·10^-^5
24	9,31·10^-^5
26	1,04·10^-^4
28	1,20·10^-^4
30	1,39·10^-^4
32	1,56·10^-^4
34	1,83·10^-^4
36	1,99·10^-^4
38	2,19·10^-^4
40	2,51·10^-^4
42	2,67·10^-^4
44	2,93·10^-^4
46	3,22·10^-^4
48	3,44·10^-^4
50	3,76·10^-^4
52	4,15·10^-^4
54	4,45·10^-^4
56	4,72·10^-^4
58	5,04·10^-^4
60	5,28·10^-^4

2. Obliczono wartość przewodnictwa elektrycznego właściwego σ dla kolejnych czasów domieszkowania korzystając ze wzoru:

gdzie:

I - natężenie prądu [A];

V - napięcie [V];

d - grubość pastylki [cm];

S - powierzchnia elektrody [cm²];

Wyniki obliczeń zestawiono w poniższej tabeli:

t [min]	σ [Ω/cm]
0,5	0,00000049
1	0,00001427
1,5	0,00004059
2	0,00004100
2,5	0,00004920
3	0,00005633
3,5	0,00006199
4	0,00006904
4,5	0,00007544
5	0,00007954
6	0,00009348
7	0,00010578
8	0,00012464
9	0,00014596
10	0,00017548
12	0,00022714
14	0,00028782
16	0,00036900
18	0,00045920
20	0,00052849
22	0,00062320
24	0,00076342
26	0,00085362
28	0,00098482
30	0,00113734
32	0,00128084
34	0,00149814
36	0,00162934
38	0,00179744
40	0,00205410
42	0,00219104
44	0,00240260
46	0,00263712
48	0,00281834
50	0,00308156
52	0,00339972
54	0,00364490
56	0,00387204
58	0,00412952
60	0,00432960

3. sporządzono wykres zależności σ = f(t), który znajduje się w załączniku

4. pastylka sporządzona została z poli(3-alkilotiofenu), który na zewnątrz pokryto cieniutką warstewką złota, które wykazuje dużą pracę wyjścia elektronów.

5. prężność par jodu w temp. 74˚C wynosi 10 torów, masa jodu dyfundowanego do próbki wynosi 0,01815g.

WNIOSKI KOŃCOWE

Stosowanie domieszek w istotny sposób wpływa na wzrost przewodnictwa właściwego polimerów przewodzących. Dla poli(3-alkilotiofenu) samoistnego (nie domieszkowanego) wynosi zaledwie 0,40nA. W przypadku domieszkowania tego polimeru jodem wraz ze wzrostem czasu domieszkowania wzrasta przewodnictwo właściwe poli(3-alkilotiofenu) - wykres.

---