Độ dẫn điện của Polymer và các yếu tố ảnh hưởng

Độ thẩm điện môi và tổn thất điện môi của Polymer:• Độ thẩm điện môi έ của chất xác định bằng dung lượng của tụ điện chứa đầy điện môi với dung lượng của tụ điện trong chân không • Nếu p

Trang 1

3 Độ dẫn điện của Polymer và các yếu tố ảnh hưởng:

A là hệ số ít phụ thuộc vào nhiệt độ

∆U là năng lượng hoạt hóa, là năng lượng cần thiết để chuyển ion từ trạng thái này sang trạng thái khác

RT

U e

Trang 2

4 Độ thẩm điện môi và tổn thất điện môi của Polymer:

• Độ thẩm điện môi έ của chất xác định bằng dung lượng của tụ điện chứa đầy điện môi với dung lượng của

tụ điện trong chân không

• Nếu polymer có chứa các nhóm phân cực đặt trong trường điện thì ở một tỷ lệ xác định của thời gian hồi phục và tần số trường, sẽ quan sát được sự định hướng của các Segmen và các đơn vị động học gây ra một giá trị xác định của độ thẩm điện môi và độ tổn thất điện môi

• Liên quan đến quá trình phân cực → hình thành Momen điện trong đơn vị thể tích của điện môi trong trường điện( Momen điện của đơn vị thể tích bằng tổng hình học của Momen lưỡng cực trong thể tích) Giá trị tần số của độ thẩm điện môi ε∞ của tất cả các polymer là 2,2 - 2,5

Trang 3

• Độ tổn thất điện môi là phần năng lượng của trường điện mất đi trong điện môi dưới dạng nhiệt.

Tổn thất điện môi hay nhiệt W

χ là độ dẫn điện riêng của điện môi

E là ứng suất của trường

π

χ

8 E2

Trang 4

• Sự tổn thất điện môi của polymer bao gồm 2 loại:

1 Tổn thất lưỡng cực đàn hồi, liên quan tới sự quay của nhóm mắt xích trong trường điện

Phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của polyme, lực tương tác nội và giữa các phân tử, cũng như độ linh động của mắt xích và thời gian hồi phục

2 Tổn thất lưỡng cực – gốc, gây ra bởi sự chuyển động của các nhóm thế phân cực (gốc

phân cưc)

Trang 5

• Sự tổn thất điện môi phụ thuộc vào:

1 Tính điều hòa phân tử, độ kết tinh của Polymer

2 Độ linh động của phân tử, sự định hướng của mạch polymer và bó, sự khâu mạch, tác

dụng của chất hấp phụ thấp phân tử như chất hóa dẻo….

Trang 6

5 Tính chất điện của polyme có hệ liên hợp:

• Polymer có nối carbon liên hợp, là sự nối tiếp của nối đơn C – C và nối đôi C = C

• Có hệ thống điện tử π liên hợp

C-R Polyvinylen

Polyaxetylen

n plyarylen

-C C-

C C

n Polyarylenpolyaxetylen

Cl

O O

Polyaminoquinon

C C N N

N

Me N N

•Polyme phối trí của mạch liên hợp với nguyên tử kim

loại hoặc dạng phức chelat

Trang 7

• Năng lượng kích thích electron π và chuyển vùng không lớn và giảm khi chiều dài mạch liên hợp tăng:

2 2

.

N l m

h

∆

Với h- hằng số Planck, m và n – khối lượng và số electron, l- chiều dài một mắcxích của mạch

Dòng điện được chuyển từ phân tử này sang phân khác nhờ những bước nhảy hoạt hóa với xác suất tăng khi tăng nhiệt độ

Cấu trúc polyme càng trật tự, tính liên tục của sự liên hợp ít bị phá hủy, các bước nhảy xảy ra dễ dàng hơn và độ dẫn điện cao hơn

Trang 9

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA POLYMER

• 1 Tổng quan về tính chất điện của Polymer.

• 2 Các loại polymer dẫn điện

• 3 Độ dẫn điện của Polymer và các yếu tố ảnh hưởng.

• 4 Độ thẩm điện môi và tổn thất điện môi của Polymer.

• 5 Tính chất điện của polyme có hệ liên hợp.

• 6 Mômen lưỡng cực của phân tử Polymer.

• 7 Ứng dụng của polymer dẫn điện.

Trang 10

1 Tổng quan về tính chất điện của Polymer.

Trang 11

• Ví dụ:Quá trình tiếp xúc giữa PA và iodine

Kết hợp giữa PA và iodine anion I -3 gây ra điện tích dương trên 5 đơn vị (CH)

• Iốt nhận 1 trong 2 điện tử của nối π → anion (I3)- → 1 "lỗ trống" mang điện tích dương (+)

• 1 điện tử π còn lại (.) + Lỗ trống → polaron

• Một cặp polaron (+ +) là bipolaron

• Polaron và bipolaron là hạt tải điện cho sự truyền điện trong polymer dẫn điện

Trang 12

2 Các loại Polymer dẫn điện.

2.1 Polymer dẫn điện do phụ gia:

Chất phụ gia có độ dẫn điện lớn, như bột kim loại, bồ hóng hay Grafit…

Tuy nhiên, tính dẫn điện có được không xuất phát từ bản chất của vật liệu polymer mà từ các phụ gia

Trang 13

2.2 Polymer dẫn điện do quá trình “doping” :

Hai phương pháp để đưa các điện tích vào Polymer:

• Lấy đi các điện tử từ nó (quá trình oxy hóa hay còn gọi là “doping” loại p)

• Đưa các điện tử vào nó (quá trình khử hay “doping” loại n)

Trang 14

Quá trình “doping” loại p

•Lấy 1 điện tử từ polythiophene (1a) →1 điện tích linh động

trên gốc cation (1b) → polaron

•Oxy hóa sâu hơn có thể chuyển polaron thành bipolaron (1C) hoặc một cặp polaron như (1d)

•Đưa vào mạch polymer một điện đích dương đồng thời với việc đưa vào một ion đối mang điện tích trái dấu

Trang 15

Quá trình “acid doping”

Cấu trúc dạng leucoameraldine (2a) có thể bị oxy hóa thành dạng emaraldine (2b) mà không có sự tham gia của các ion đối X- Tuy nhiên, dạng ameraldine (2b) chỉ trở nên dẫn điện khi nó được xử lí bằng axít mạnh HX, cấu trúc (2c) và (2d) là hai cấu trúc cộng hưởng

Trang 16

→ Trong 2 phương pháp trên, việc tạo ra các điện tích trên mạch polymer luôn gắn

liền với việc đưa vào các ion đối Tuy nhiên, cơ chế dẫn điện của các loại polymer

loại này không phải do các ion đối tạo ra, mà do sự phân bố điện tích một cách

tương đối qua toàn mạch polymer

Trang 17

Sự chuyển động của điện tử π (l) và lỗ trống (+) Một điện tử chiếm

Trang 18

3.1 Độ dẫn điện của Polymer

•Độ dẫn điện riêng của Polymer được xác định bằng các ion tự do không liên kết hóa học với Polymer

•Các nguồn sinh ra ion ở dạng tự do hoặc ở dạng liên kết yếu: những chất hấp phụ thấp phân tử, như

Axit kiềm, muối, nước, các gốc nhũ tương hóa, xúc tác, Monomer

•Độ dẫn điện s của Polymer còn được biểu diễn bằng công thức:

Trang 19

• Nồng độ của phần tử tải điện

• Sự di động của điện tử trong mạch polymer, giữa những mạch polymer và giữa những mảng do nhiều polymer tạo nên

→ Polymer dẫn điện có mạch phân tử cùng hướng về một chiều để làm tăng sự di dộng của điện tử

•Sự di động của điện tử trong mạch polymer (mũi tên A)

•Giữa những mạch polymer (mũi tên B)

•Giữa những mảng do nhiều polymer tạo nên (mũi tên C).

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng

Trang 20

• Đo được độ dẫn điện riêng của Polymer, có thể xác định được động học của phản ứng

không gian ba chiều, nghiên cứu tương tác của Polymer với dung môi Xác định khối lượng phân tử của Polymer, hiểu được những thay đổi tính chất hóa học và vật lý khi xử lý nhiệt

Trang 21

∆U là năng lượng hoạt hóa, là năng lượng cần thiết để chuyển ion từ trạng thái này sang trạng thái khác

RT

U e

Trang 22

Trang 23

• Độ tổn thất điện môi là phần năng lượng của trường điện mất đi trong điện môi dưới dạng nhiệt.

Tổn thất điện môi hay nhiệt W

χ là độ dẫn điện riêng của điện môi

E là ứng suất của trường

π

χ

8 E2

Trang 24

• Sự tổn thất điện môi của polymer bao gồm 2 loại:

1 Tổn thất lưỡng cực đàn hồi, liên quan tới sự quay của nhóm mắt xích trong trường điện

Phụ thuộc vào cấu trúc hóa học của polyme, lực tương tác nội và giữa các phân tử, cũng như độ linh động của mắt xích và thời gian hồi phục

2 Tổn thất lưỡng cực – gốc, gây ra bởi sự chuyển động của các nhóm thế phân cực (gốc

phân cưc)

Trang 25

• Sự tổn thất điện môi phụ thuộc vào:

1 Tính điều hòa phân tử, độ kết tinh của Polymer

2 Độ linh động của phân tử, sự định hướng của mạch polymer và bó, sự khâu mạch, tác

dụng của chất hấp phụ thấp phân tử như chất hóa dẻo….

Trang 26

• Polymer có nối carbon liên hợp, là sự nối tiếp của nối đơn C – C và nối đôi C = C

• Có hệ thống điện tử π liên hợp

C-R Polyvinylen

Polyaxetylen

n plyarylen

-C C-

C C

n Polyarylenpolyaxetylen

Cl

O O

Polyaminoquinon

C C N N

N

Me N N

•Polyme phối trí của mạch liên hợp với nguyên tử kim

loại hoặc dạng phức chelat

Trang 27

• Năng lượng kích thích electron π và chuyển vùng không lớn và giảm khi chiều dài mạch liên hợp tăng:

2 2

.

N l m

h

∆

Với h- hằng số Planck, m và n – khối lượng và số electron, l- chiều dài một mắcxích của mạch

Dòng điện được chuyển từ phân tử này sang phân khác nhờ những bước nhảy hoạt hóa với xác suất tăng khi tăng nhiệt độ

Cấu trúc polyme càng trật tự, tính liên tục của sự liên hợp ít bị phá hủy, các bước nhảy xảy ra dễ dàng hơn và độ dẫn điện cao hơn

Trang 28

6 Mômen lưỡng cực của phân tử Polymer

• Momen lưỡng cực của Polymer phụ thuộc vào sự định hướng tương hỗ của các momen riêng của phân tử, vào cấu hình của mạch Polymer

• Phương trình chung của momen lưỡng cực của Polymer là:

• μn là momen lưỡng cực của mắt xích monomer

Trang 29

• Nếu xem mỗi mắt xích có sự quay tự do thì áp dụng phương trình Kuhm:

• Với M- momen điện trung bình của tất cả phần tử,

• N- số mắt xích có trong mạch,

• μ0 – momen lưỡng cực của mắt xích monormer

• Theo Marchal, giá trị trung bình của momen lưỡng cực đối với mỗi mắt xích trong Plymer phụ thuộc vào

tương tác giũa các nhóm phân cực trong plymer và nói chung là hàm số của trông số đặc trưng cho sự kìm hãm quay nội trong mạch polymer:

6 Mômen lưỡng cực của phân tử Polymer

20

2

µ

=

N M

2 2

0

2

. hd

g N

M = µ = µ

Trang 30

7 Ứng dụng của polymer dẫn điện:

• 7.1 Điốt phát quang hữu cơ (Organic light emitting diode OLED)

•Các OLED có thể được dùng để chế tạo thành các

màn hình hiển thị

•Vật liệu được sử dụng là poly(vinylcarbazole)

Trang 31

• 7.2 Transistor hiệu ứng trường (FETs: Field effect transistors).

7 Ứng dụng của polymer dẫn điện:

Cấu tạo của transistor hiệu ứng từ

Polymer dẫn điện đã được dùng chế tạo các FETs tốt nhất cho đến bây giờ là hexathienyl, C60 và pentacene

Trang 32

TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA POLYMER

• 1 Tổng quan về tính chất điện của Polymer.

• 2 Các loại polymer dẫn điện

• 3 Độ dẫn điện của Polymer và các yếu tố ảnh hưởng.

• 4 Độ thẩm điện môi và tổn thất điện môi của Polymer.

• 5 Tính chất điện của polyme có hệ liên hợp.

• 6 Mômen lưỡng cực của phân tử Polymer.

• 7 Ứng dụng của polymer dẫn điện.

Trang 33

Trang 34

• Ví dụ:Quá trình tiếp xúc giữa PA và iodine

Kết hợp giữa PA và iodine anion I -3 gây ra điện tích dương trên 5 đơn vị (CH)

• Iốt nhận 1 trong 2 điện tử của nối π → anion (I3)- → 1 "lỗ trống" mang điện tích dương (+)

• 1 điện tử π còn lại (.) + Lỗ trống → polaron

• Một cặp polaron (+ +) là bipolaron

• Polaron và bipolaron là hạt tải điện cho sự truyền điện trong polymer dẫn điện

Trang 35

2.1 Polymer dẫn điện do phụ gia:

Chất phụ gia có độ dẫn điện lớn, như bột kim loại, bồ hóng hay Grafit…

Tuy nhiên, tính dẫn điện có được không xuất phát từ bản chất của vật liệu polymer mà từ các phụ gia

Trang 36

2.2 Polymer dẫn điện do quá trình “doping” :

Hai phương pháp để đưa các điện tích vào Polymer:

• Lấy đi các điện tử từ nó (quá trình oxy hóa hay còn gọi là “doping” loại p)

• Đưa các điện tử vào nó (quá trình khử hay “doping” loại n)

Trang 37

Quá trình “doping” loại p

•Lấy 1 điện tử từ polythiophene (1a) →1 điện tích linh động

trên gốc cation (1b) → polaron

•Oxy hóa sâu hơn có thể chuyển polaron thành bipolaron (1C) hoặc một cặp polaron như (1d)

•Đưa vào mạch polymer một điện đích dương đồng thời với việc đưa vào một ion đối mang điện tích trái dấu

Trang 38

Quá trình “acid doping”

Cấu trúc dạng leucoameraldine (2a) có thể bị oxy hóa thành dạng emaraldine (2b) mà không có sự tham gia của các ion đối X- Tuy nhiên, dạng ameraldine (2b) chỉ trở nên dẫn điện khi nó được xử lí bằng axít mạnh HX, cấu trúc (2c) và (2d) là hai cấu trúc cộng hưởng

Trang 39

→ Trong 2 phương pháp trên, việc tạo ra các điện tích trên mạch polymer luôn gắn

liền với việc đưa vào các ion đối Tuy nhiên, cơ chế dẫn điện của các loại polymer

loại này không phải do các ion đối tạo ra, mà do sự phân bố điện tích một cách

tương đối qua toàn mạch polymer

Trang 40

•Dopant A nhận một điện tử từ polymer, một lỗ trống (+) xuất hiện

•Khi một dòng điện được áp đặt vào polymer, điện tử π của nguyên tố C bên cạnh nhảy vào lỗ trống nầy và cứ tiếp diễn

→lỗ trống (+) được liên tục di động dọc theo mạch polymer

•Sự di động của lỗ trống xác nhận polaron/bipolaron là một thực thể tải điện và là nguyên nhân của sự dẫn điện

Trang 41

3.1 Độ dẫn điện của Polymer

•Độ dẫn điện riêng của Polymer được xác định bằng các ion tự do không liên kết hóa học với Polymer

•Các nguồn sinh ra ion ở dạng tự do hoặc ở dạng liên kết yếu: những chất hấp phụ thấp phân tử, như

Axit kiềm, muối, nước, các gốc nhũ tương hóa, xúc tác, Monomer

•Độ dẫn điện s của Polymer còn được biểu diễn bằng công thức:

Trang 42

• Nồng độ của phần tử tải điện

• Sự di động của điện tử trong mạch polymer, giữa những mạch polymer và giữa những mảng do nhiều polymer tạo nên

→ Polymer dẫn điện có mạch phân tử cùng hướng về một chiều để làm tăng sự di dộng của điện tử

•Sự di động của điện tử trong mạch polymer (mũi tên A)

•Giữa những mạch polymer (mũi tên B)

Trang 43

• Đo được độ dẫn điện riêng của Polymer, có thể xác định được động học của phản ứng

không gian ba chiều, nghiên cứu tương tác của Polymer với dung môi Xác định khối lượng phân tử của Polymer, hiểu được những thay đổi tính chất hóa học và vật lý khi xử lý nhiệt

Trang 44

So sánh độ dẫn điện của polymer dẫn với kim

•Nhiệt độ: Ảnh hưởng đến độ linh động, tính nhớt của môi trường Polymer

•Phụ thuộc vào cấp số:

∆U là năng lượng hoạt hóa, là năng lượng cần thiết để chuyển

RT

U e

Trang 45

Định dạng
Số trang	60
Dung lượng	451,29 KB