导电聚吡咯薄膜的制备与表征及电学与力学行为研究

摘要

自1977年发现导电聚合物以来,该领域获得了长足的发展,其中聚吡咯(PPy)材料以其高电导率、环境稳定性好、无毒等优点最具发展潜力。随着聚吡咯的应用日益广泛,暴露出的电学、力学等基础性问题也开始增多,从而制约了PPy薄膜作为器件材料的发展。因此本文主要针对PPy薄膜材料目前在纳米力学、电学及力-电耦合等方面研究匮乏的情况,着重对上述问题进行深入研究。
　　 首先,本文采用LK2005A型电化学工作站,以吡咯为单体,针对聚合电位、聚合时间、掺杂离子及基底的种类等影响因素,设计了不同制备参数及条件下恒电位沉积PPy薄膜的实验方案。
　　 其次,通过各种表征手段测试了PPy薄膜样品的相关特性。利用傅里叶变换红外光谱(FF-IR)与拉曼光谱联动,发现0.7V的电位下制备的掺杂有对甲苯磺酸盐(pTS)的PPy薄膜的共轭体系最大且掺杂程度的高低主要由聚合电位所致。SEM形貌分析表明,PPy薄膜的表面起伏与致密性受掺杂离子结构的影响,而电极表面的化学性质及粗糙度亦会对节点颗粒尺寸造成影响。采用综合热分析仪对PPy薄膜的热学稳定性进行表征,研究发现PPy薄膜的热学性能根据掺杂离子的不同而表现迥异,这与对阴离子内部自身的稳定性(键能的大小)有关。另外,本文还利用四探针测试法研究PPy薄膜的宏观电学特性,结果表明平面状结构的对阴离子使结晶程度的提高以及进入PPy主链结构中对阴离子数量的增加均能改善电导率。
　　 再次,采用纳米力学测试系统的压痕与划痕模块研究了PPy薄膜的纳米力学性能,发现微缺陷的形成是导致薄膜力学性能降低的主要因素,提高掺杂离子与PPy主链的纠缠可改善薄膜的力学性能,而大尺寸的对阴离子可对聚吡咯给予良好的结构支撑作用。适当减少薄膜制备时的时间可提高薄膜的致密性,这也可改善聚吡咯薄膜的力学性能,但由于PPy薄膜表面的粗糙程度与硬度较低,使得聚吡咯薄膜的摩擦性能与抗划伤性能有限。
　　 最后,通过配有电接触阻抗(nano-ECR)模块的纳米力学测试系统研究PPy薄膜的微观电学性能,在硅基底上生长的聚吡咯薄膜的Ⅳ曲线展现出开关特性。PPy薄膜的微观电学特性与宏观电学特性相差甚远,这是因为微观尺度下局部范围内载流子数目的过少与迁移范围的限制。随着载荷的增大,在分别施加正、负电位时PPy薄膜的电流变化趋势完全不同,负电位导致的脱掺杂现象大大降低了通过薄膜的电流,但力学性能有所提高。纳米压痕时加载速率的提高使PPy薄膜的主链结构断裂概率加大,这降低了薄膜的电学性能。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 导电聚合物简介

1.1.1 导电聚合物概述

1.1.2 导电聚合物的掺杂及导电机理

1.1.3 导电聚合物的合成

1.2 聚吡咯简介

1.2.1 聚吡咯概述

1.2.2 聚吡咯的电化学聚合机制

1.3 聚吡咯的应用

1.4 聚吡咯的发展趋势

1.5 论文内容、目的及意义

1.5.1 内容

1.5.2 目的及意义

第二章 实验影响因素与表征方法

2.1 影响聚吡咯电化学聚合的因素

2.1.1 电化学聚合方式

2.1.2 基底材料的选择与处理

2.1.3 对阴离子的种类与浓度

2.1.4 溶剂的性质与溶液的pH值

2.1.5 聚合时间及外界温度

2.2 聚吡咯薄膜的表征技术

2.2.1 光谱学原理

2.2.2 热学性能表征技术

2.2.3 四探针测试原理

2.2.4 纳米压痕技术

2.2.5 纳米电学测试的基本原理

2.3 本章小节

第三章 聚吡咯薄膜制备与性能表征

3.1 实验试剂与仪器

3.1.1 实验主要的试剂

3.1.2 实验仪器与设备

3.1.3 三电极体系

3.2 聚吡咯薄膜的电化学合成实验

3.2.1 制备方法

3.2.2 电化学制备聚吡咯薄膜的临界条件的确定

3.2.3 实验参数的选择

3.3 聚吡咯薄膜的拉曼光谱与FT-IR光谱研究

3.3.1 不同对阴离子掺杂的聚吡咯薄膜的光谱研究

3.3.2 不同电位下制备的聚吡咯薄膜的光谱研究

3.4 聚吡咯薄膜表面形貌的研究

3.4.1 不同掺杂离子对薄膜表面形貌的影响

3.4.2 基底对薄膜表面形貌的影响

3.5 聚吡咯薄膜的热学稳定性

3.6 本章小节

第四章 聚吡咯的电学与力学行为研究

4.1 聚吡咯薄膜的电学性能

4.2 聚吡咯薄膜的纳米力学研究

4.2.1 基底的纳米压痕研究

4.2.2 聚吡咯薄膜表面的均匀性对力学性能的影响

4.2.3 不同对阴离子掺杂的聚吡咯薄膜的纳米压痕研究

4.2.4 不同聚合时间的聚吡咯薄膜的纳米压痕研究

4.2.5 聚吡咯薄膜的抗划性能

4.3 聚吡咯薄膜的力-电耦合性能

4.3.1 聚吡咯薄膜与硅基底的微观Ⅳ特性研究

4.3.2 不同外加电场下聚吡咯薄膜的力学-电学特性

4.3.3 外加电场下加载速率对聚吡咯薄膜的力学-电学特性的影响

4.4 本章小节

第五章 总结与展望

5.1 总结

5.2 展望

参考文献

致谢

读研期间已发表的论文