Độ dẫn điện của polymer và các yếu tố ảnh hưởng

Các yếu tố ảnh hưởng So sánh độ dẫn điện của polymer dẫn với kim loại •Nhiệt độ: Ảnh hưởng đến độ linh động, tính nhớt của môi trường Polymer •Phụ thuộc vào cấp số: A là hệ số ít phụ

Trang 1

3 Độ dẫn điện của Polymer và các yếu tố

ảnh hưởng:

3.2 Các yếu tố ảnh hưởng

So sánh độ dẫn điện của

polymer dẫn với kim loại

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

•Phụ thuộc vào cấp số:

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 A







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

của Polymer:

Tổn thất điện môi hay nhiệt W

χ là độ dẫn điện riêng của điện môi

E là ứng suất của trường





8.E2

W 

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)

của Polymer:

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…

của Polymer:

Trang 6

5 Tính chất điện của polyme có hệ liên hợp:

• 4.1Điều kiện cần về cấu trúc của polymer dẫn điện:

• 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 Cl O O

N N C C

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:

5 Tính chất điện của polyme có hệ liên hợp:

2 2

2

1

.

N l m

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

Polymer có dạng …MMMMMMM…

Khi thêm vào Polymer 1 chất có thể nhận điện tử tạo nên ion

dương hoặc âm (dopant) các chất này có tính thuận nghịch tạo nên quá trình doping/dedoping (oxit hóa/khử)

…MMMMMMM…., và dopant A đưa đến chuyển

Trang 11

10/17/2016 Tiểu luận Hóa lý Polymer 11

Polymer

• 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

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 thêm vào →

Không được ứng dụng nhiều

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 cứ một

vân đạo pz

•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 18

ảnh hưởng:

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

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

ảnh hưởng:

•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)

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

ảnh hưởng:

Trang 21

ảnh hưởng:

So sánh độ dẫn điện của

polymer dẫn với kim loại

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

•Phụ thuộc vào cấp số:

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 A







Trang 22

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 23

• Độ tổn thất điện môi là phần năng lượng của trường điện mất

đi trong điện môi dưới dạng nhiệt

của Polymer:

Tổn thất điện môi hay nhiệt W

χ là độ dẫn điện riêng của điện môi

E là ứng suất của trường





8.E2

W 

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)

của Polymer:

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…

của Polymer:

Trang 26

5 Tính chất điện của polyme có hệ liên

hợp:

• 4.1Điều kiện cần về cấu trúc của polymer dẫn điện:

• 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 Cl O O

N N C C

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:

5 Tính chất điện của polyme có hệ liên

hợp:

2 2

2

1

.

N l m

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

2 0

2





N M

2 2

0

2

. hd

g N

Trang 30

7 Ứng dụng của polymer dẫn điện:

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

•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

Polymer

Polymer có dạng …MMMMMMM…

Khi thêm vào Polymer 1 chất có thể nhận điện tử tạo nên ion

dương hoặc âm (dopant) các chất này có tính thuận nghịch tạo nên quá trình doping/dedoping (oxit hóa/khử)

…MMMMMMM…., và dopant A đưa đến chuyển

Trang 34

10/17/2016 Tiểu luận Hóa lý Polymer 34

Polymer

• 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

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 thêm vào →

Không được ứng dụng nhiều

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

Sự chuyển động của điện tử π (l) và lỗ

trống (+) Một điện tử chiếm cứ một

•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

ảnh hưởng:

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

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

ảnh hưởng:

•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)

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

ảnh hưởng:

Định dạng
Số trang	60
Dung lượng	874,88 KB