导电聚合物复合纳米薄膜及其电极特性研究

作者
闻俊锋
摘要
导电聚合物及其复合纳米材料在电学、电化学、储能领域有着广泛的用途。本论文采用化学气相聚合沉积、LB膜沉积等方法制备导电聚合物聚3,4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)及其复合纳米薄膜材料,并对薄膜的导电、电化学特性进行了研究。深入研究了复合纳米薄膜作为光电及储能器件的电极薄膜后对器件性能的影响,并对相应的机理进行了探索。其主要内容归纳如下:1.采用静电自组装法在多孔烧结体表面制备了PEDOT聚电解质复合纳米薄膜。结果表明PEDOT复合纳米薄膜能够在不同基底上形成层状有序结构,复合纳米薄膜的形貌、电性能及组装特性受溶液中聚阳离子浓度、pH值等参数影响较大;研究了复合纳米薄膜对钽电解电容器等效串联电阻(ESR)的影响,发现邻苯二甲酸二乙二醇二丙烯酸酯/聚苯乙烯磺酸(PDDA/PSS)自组装膜对电容器的ESR影响较大,而PDDA/PEDOT-PSS自组装膜对电容器的ESR影响较小,这归因于PEDOT-PSS具有较高的电导率;首次研究了以PEDOT静电自组装膜为电极的多孔烧结型固体钽电解电容器的器件性能。结果表明PEDOT-PSS静电自组装复合膜可以取代化学原位聚合的PEDOT薄膜作为电容器阴极,并使得器件具有更好的稳定性,而且制备工艺更为简单。2.首次采用化学气相聚合沉积方法在具有多孔结构的电介质上构筑PEDOT/PEDOT-石墨烯复合纳米薄膜作为电容器阴极,研究了该种电容器的各项性能。结果表明化学气相聚合沉积复合纳米材料后,生成的PEDOT聚合物紧密包裹在石墨烯上,使得PEODT与石墨烯之间有良好的接触,有效改善了PEDOT薄膜的力学性能;化学气相聚合沉积的PEDOT及PEDOT/石墨烯薄膜在2θ=10.8°、12.3°、16.5、和23.7°均出现了衍射峰,表明PEDOT及复合纳米薄膜均具有良好的有序性。导电性研究表明PEDOT/石墨烯复合纳米薄膜具有100.3 S/cm的高电导率,这来源于PEDOT与石墨烯良好的协同效应;高导电的PEDOT/PEDOT-石墨烯复合纳米薄膜有效的降低了电极薄膜的电阻值,并进一步降低了器件的等效串联电阻,使得器件具有更好的容量-频率特性和耐受电压能力。进一步的研究表明,电容器工作在1 MHz时,其容量能够保持初始值的70%,具有优异的高频特性。3.采用化学气相聚合沉积方法制备了PEDOT/单壁碳纳米管(SWCNTs)、PEDOT/还原氧化石墨烯(RGO)复合纳米薄膜作为超级电容器电极材料,并研究了不同器件的储能特性。研究结果表明在FeCl3氧化剂薄膜上沉积的PEDOT具有一定的晶格结构,PEDOT/RGO薄膜显示了良好的有序结构,生成的聚合物可以有效包裹在RGO表面形成良好复合;电化学特性研究表明PEDOT/RGO和PEDOT/SWCNTs电极的循环伏安曲线近似矩形,显示出良好的电化学性能,电解液中的活性离子可以在PEDOT和碳纳米材料形成的界面快速的吸附和脱附。PEDOT/RGO和PEDOT/SWCNTs复合薄膜的循环伏安电流大于纯PEDOT薄膜,这是由于RGO和SWCNTs具有非常高的比表面积及高导电率所致。在电流密度从0.2 A/g增加到2.0 F/g后,PEDOT/RGO电极的比容量为171 F/g,约为0.2 A/g时的83%,表明复合纳米薄膜电极具有良好的比容量维持特性,适宜大电流充放电。进一步研究表明该电极在1000次循环后比容量可以有效的维持在90%以上。4.采用化学原位聚合修饰LB膜的方法制备了层状有序PEDOT复合纳米薄膜,并将薄膜组装为OLED器件的空穴注入层,研究了这种器件的发光特性。表面压-平均分子面积分析结果表明不同烷基链的表面活性剂分子在气/液界面表现出不同的平均分子面积。二十二烷酸(n-DA)的烷基链较长,其单分子复合膜的平均分子面积较大,而二十烷酸(AA)的烷基链较短,单分子可以形成较为直列的排列而受空间位阻效应相对较小,因此复合纳米薄膜的平均分子面积也较小;X射线反射(XRR)分析表明AA/PEDOT和n-DA/PEDOT复合膜均具有较好的层状有序性。X光电子能谱(XPS)分析表明生成的PEDOT被有效限制在层状有序纳米结构中,这种高度有序性使得PEDOT分子间存在一定的关联性,当分子间的绝缘势垒较小的时候,可以在层状有序纳米结构中形成载流子的跳跃迁移;研究了复合纳米薄膜作为空穴注入层后载流子传输能力,发现AA/PEDOT膜可以明显的提高器件的空穴注入能力,载流子的复合效率更高。以AA/PEDOT复合纳米薄膜为空穴注入层的器件最大亮度为3522 cd/m2,具有较高的发光效率。进一步的研究表明这种层状有序纳米薄膜,适宜作为ITO与发光层的中间过渡材料,使得空穴能够有效的从阳极ITO注入并迁移,发生高效率的载流子复合,有效提高了器件的发光效率。
关键词
复合纳米薄膜; PEDOT; 导电聚合物; 化学气相沉积; 钽电容器
页数
127
出版日期
2014-03-31
学位授予单位
电子科技大学
学位年度
2014
学位
博士
导师
蒋亚东
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