Độ dẫn điện của Polymer và các yếu tố ảnh hưởng

3 Độ dẫn điện Polymer yếu tố ảnh hưởng: 3.2 Các yếu tố ảnh hưởng •Nhiệt độ: Ảnh hưởng đến độ linh động, tính nhớt môi trường Polymer •Phụ thuộc vào cấp số: χ = A.e − ∆U RT A hệ số phụ thuộc vào nhiệt độ So sánh độ dẫn điện polymer dẫn với kim ∆U lượng hoạt hóa, lượng cần thiết để chuyển loại ion từ trạng thái sang trạng thái khác 9/22/16 Độ thẩm điện môi tổn thất điện môi Polymer: • Độ thẩm điện môi έ chất xác định dung lượng tụ điện chứa đầy điện môi với dung lượng tụ điện chân không • Nếu polymer có chứa nhóm phân cực đặt trường điện tỷ lệ xác định thời gian hồi phục tần số trường, quan sát định hướng Segmen đơn vị động học gây giá trị xác định độ thẩm điện môi độ tổn thất điện môi • Liên quan đến trình phân cực → hình thành Momen điện đơn vị thể tích điện môi trường điện( Momen điện đơn vị thể tích tổng hình học Momen lưỡng cực thể tích) Giá trị tần số độ thẩm điện môi ε∞ tất polymer 2,2 - 2,5 9/22/16 Độ thẩm điện môi tổn thất điện môi Polymer: • Độ tổn thất điện môi phần lượng trường điện điện môi dạng nhiệt χ E W= 8π Tổn thất điện môi hay nhiệt W χ độ dẫn điện riêng điện môi E ứng suất trường 9/22/16 Độ thẩm điện môi tổn thất điện môi Polymer: • Sự tổn thất điện môi polymer bao gồm loại: Tổn thất lưỡng cực đàn hồi, liên quan tới quay nhóm mắt xích trường điện Phụ thuộc vào cấu trúc hóa học polyme, lực tương tác nội phân tử, độ linh động mắt xích thời gian hồi phục Tổn thất lưỡng cực – gốc, gây chuyển động nhóm phân cực (gốc phân cưc) 9/22/16 4 Độ thẩm điện môi tổn thất điện môi Polymer: • Sự tổn thất điện môi phụ thuộc vào: Tính điều hòa phân tử, độ kết tinh Polymer Độ linh động phân tử, định hướng mạch polymer bó, khâu mạch, tác dụng chất hấp phụ thấp phân tử chất hóa dẻo… 9/22/16 5 Tính chất điện polyme có hệ liên hợp: • • • 4.1Điều kiện cần cấu trúc polymer dẫn điện: Polymer có nối carbon liên hợp, nối tiếp nối đơn C – C nối đôi C = C Có hệ thống điện tử π liên hợp -CH C- n -C C- -C C- n n R Polyvinylen Polyaxetylen n plyarylen Polyarylenpolyaxetylen Cl •Polyme phối trí mạch liên hợp với nguyên tử kim O NH NH N C C N N C C Cl O loại dạng phức chelat N Me N Polyaminoquinon Fe Fe C C N N C C N Fe Polyferoxen 9/22/16 -C C- polyphtaloxyanin dong Tính chất điện polyme có hệ liên hợp: • Năng lượng kích thích electron π chuyển vùng không lớn giảm chiều dài mạch liên hợp tăng: h2 N +1 ∆W = 8m.l N Với h- số Planck, m n – khối lượng số electron, l- chiều dài mắcxích mạch Dòng điện chuyển từ phân tử sang phân khác nhờ bước nhảy hoạt hóa với xác suất tăng tăng nhiệt độ Cấu trúc polyme trật tự, tính liên tục liên hợp bị phá hủy, bước nhảy xảy dễ dàng độ dẫn điện cao 9/22/16 9/22/16 TÍNH CHẤT ĐIỆN CỦA POLYMER • • • • • • • 9/22/16 Tổng quan tính chất điện Polymer Các loại polymer dẫn điện Độ dẫn điện Polymer yếu tố ảnh hưởng Độ thẩm điện môi tổn thất điện môi Polymer Tính chất điện polyme có hệ liên hợp Mômen lưỡng cực phân tử Polymer Ứng dụng polymer dẫn điện Tiểu luận Hóa lý Polymer Tổng quan tính chất điện Polymer Polymer có dạng …MMMMMMM… Khi thêm vào Polymer chất nhận điện tử tạo nên ion dương âm (dopant) chất có tính thuận nghịch tạo nên trình doping/dedoping (oxit hóa/khử) …MMMMMMM…., dopant A đưa đến chuyển hoán dẫnđiện/cáchđiện MMMMMMMMMMM + A (dạng 1) doping ↕ dedoping MMM+A-MMMM+A-MMMM+A-MMM (dạng 2) 9/22/16 Tiểu luận Hóa lý Polymer 10 Độ thẩm điện môi tổn thất điện môi Polymer: • Độ tổn thất điện môi phần lượng trường điện điện môi dạng nhiệt χ E W= 8π Tổn thất điện môi hay nhiệt W χ độ dẫn điện riêng điện môi E ứng suất trường 9/22/16 Tiểu luận Hóa lý Polymer 46 Độ thẩm điện môi tổn thất điện môi Polymer: • Sự tổn thất điện môi polymer bao gồm loại: Tổn thất lưỡng cực đàn hồi, liên quan tới quay nhóm mắt xích trường điện Phụ thuộc vào cấu trúc hóa học polyme, lực tương tác nội phân tử, độ linh động mắt xích thời gian hồi phục Tổn thất lưỡng cực – gốc, gây chuyển động nhóm phân cực (gốc phân cưc) 9/22/16 Tiểu luận Hóa lý Polymer 47 Độ thẩm điện môi tổn thất điện môi Polymer: • Sự tổn thất điện môi phụ thuộc vào: Tính điều hòa phân tử, độ kết tinh Polymer Độ linh động phân tử, định hướng mạch polymer bó, khâu mạch, tác dụng chất hấp phụ thấp phân tử chất hóa dẻo… 9/22/16 Tiểu luận Hóa lý Polymer 48 Tính chất điện polyme có hệ liên hợp: • • • 4.1Điều kiện cần cấu trúc polymer dẫn điện: Polymer có nối carbon liên hợp, nối tiếp nối đơn C – C nối đôi C = C Có hệ thống điện tử π liên hợp -CH C- n -C C- -C C- n n R Polyvinylen Polyaxetylen n plyarylen Polyarylenpolyaxetylen Cl •Polyme phối trí mạch liên hợp với nguyên tử kim O NH NH N C C N N C C Cl O loại dạng phức chelat N Me N Polyaminoquinon Fe Fe C C N N C C N Fe Polyferoxen 9/22/16 Tiểu luận Hóa lý Polymer -C C- polyphtaloxyanin dong 49 Tính chất điện polyme có hệ liên hợp: • Năng lượng kích thích electron π chuyển vùng không lớn giảm chiều dài mạch liên hợp tăng: h2 N +1 ∆W = 8m.l N Với h- số Planck, m n – khối lượng số electron, l- chiều dài mắcxích mạch Dòng điện chuyển từ phân tử sang phân khác nhờ bước nhảy hoạt hóa với xác suất tăng tăng nhiệt độ Cấu trúc polyme trật tự, tính liên tục liên hợp bị phá hủy, bước nhảy xảy dễ dàng độ dẫn điện cao 9/22/16 Tiểu luận Hóa lý Polymer 50 Mômen lưỡng cực phân tử Polymer • Momen lưỡng cực Polymer phụ thuộc vào định hướng tương hỗ momen riêng phân tử, vào cấu hình mạch Polymer • Phương trình chung momen lưỡng cực Polymer là: N • • 9/22/16 M = ∑ µn μn momen lưỡng cực mắt xích monomer n =1 N0 số mắt xích monomer mạch Tiểu luận Hóa lý Polymer 51 Mômen lưỡng cực phân tử Polymer • Nếu xem mắt xích có quay tự áp dụng phương trình Kuhm: M2 = µ 02 N tử, • Với M- momen điện trung bình tất phần • N- số mắt xích có mạch, • μ0 – momen lưỡng cực mắt xích monormer • Theo Marchal, giá trị trung bình momen lưỡng cực mắt xích Plymer phụ thuộc vào tương tác giũa nhóm phân cực plymer nói chung hàm số trông số đặc trưng cho kìm hãm quay nội mạch polymer: M2 = g.µ 02 = µ hd N 9/22/16 Tiểu luận Hóa lý Polymer 52 Ứng dụng polymer dẫn điện: • 7.1 Điốt phát quang hữu (Organic light emitting diode OLED) •Các OLED dùng để chế tạo thành hình hiển thị •Vật liệu sử dụng poly(vinylcarbazole) Cấu trúc đèn LED < -> Giản đồ lượng Hình: Cấu tạo cách vận hành điốt phát quang hữu 9/22/16 Tiểu luận Hóa lý Polymer 53 Ứng dụng polymer dẫn điện: • 7.2 Transistor hiệu ứng trường (FETs: Field effect transistors) Polymer dẫn điện dùng chế tạo FETs tốt hexathienyl, C60 pentacene Cấu tạo transistor hiệu ứng từ 9/22/16 Tiểu luận Hóa lý Polymer 54 Mômen lưỡng cực phân tử Polymer • Momen lưỡng cực Polymer phụ thuộc vào định hướng tương hỗ momen riêng phân tử, vào cấu hình mạch Polymer • Phương trình chung momen lưỡng cực Polymer là: N • • 9/22/16 M = ∑ µn μn momen lưỡng cực mắt xích monomer n =1 N0 số mắt xích monomer mạch 55 Mômen lưỡng cực phân tử Polymer • Nếu xem mắt xích có quay tự áp dụng phương trình Kuhm: M2 = µ 02 N tử, • Với M- momen điện trung bình tất phần • N- số mắt xích có mạch, • μ0 – momen lưỡng cực mắt xích monormer • Theo Marchal, giá trị trung bình momen lưỡng cực mắt xích Plymer phụ thuộc vào tương tác giũa nhóm phân cực plymer nói chung hàm số trông số đặc trưng cho kìm hãm quay nội mạch polymer: M2 = g.µ 02 = µ hd N 9/22/16 56 Ứng dụng polymer dẫn điện: • 7.1 Điốt phát quang hữu (Organic light emitting diode OLED) •Các OLED dùng để chế tạo thành hình hiển thị •Vật liệu sử dụng poly(vinylcarbazole) Cấu trúc đèn LED < -> Giản đồ lượng Hình: Cấu tạo cách vận hành điốt phát quang hữu 9/22/16 57 Ứng dụng polymer dẫn điện: • 7.2 Transistor hiệu ứng trường (FETs: Field effect transistors) Polymer dẫn điện dùng chế tạo FETs tốt hexathienyl, C60 pentacene Cấu tạo transistor hiệu ứng từ 9/22/16 58 Ứng dụng polymer dẫn điện: • 7.3 Tụ điện •Kích thước tụ điện nhỏ cho dung lượng tối đa (siêu tụ điện) •Tụ điện với điện cực nhôm PPy ( Polypyrrole ) Oxide nhôm (Al2O3) chất điện môi •PPy có độ dẫn điện cao MnO2 từ 10 đến 100 lần 9/22/16 59 Ứng dụng polymer dẫn điện: • 7.4 Pin nạp điện • Li/LiClO4 - PC/PA Pin cho điện áp 3,7 V cao pin gia dụng thông thường (1,5 V) nạp điện • [CH]n + nm(ClO4-) – nme- ↔ [CHm+(ClO4-)m]n (6) phóng điện • cực âm là, nạp điện • nmLi+ + nme- ↔ nmLi (7) phóng điện 9/22/16 60