Geri Dön

Fabrication of SWCNT/AgNW/PEDOT: PSS nanocomposite transparent conductive films

Karbon nanotüp/gümüş nanotel/PEDOT: PSS nanokompozitlerden transparan ve iletken ince filmlerin üretilmesi

PDF İndir

  1. Tez No: 718039
  2. Yazar: SERRA MELEK AKYÜZ
  3. Danışmanlar: PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ
  4. Tez Türü: Yüksek Lisans
  5. Konular: Enerji, Energy
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2022
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
  10. Enstitü: Enerji Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
  13. Sayfa Sayısı: 99

Özet

Transparan ve iletken ince filmlere (TCF) karşı duyulan ilgi dokunmatik ekranlar, katı hal aydınlatma teknolojileri, organik ışık emisyonu (OLED), fotovoltaik güç sistemleri gibi optoelektronik cihazların hayatımızda önemli hale gelmesiyle gitgide artış göstermiştir. TCF teknolojisi günümüzde optoelektronik ve fotovoltaik uygulamalarda kullanılmasının yanı sıra antistatik ve elektromanyetik girişim koruma sağlama görevi gören cam kaplamaları alanlarında da kullanılmaktadır. Bunun yanında, otomobil ve uçak kokpitlerinin cam panellerinde buz çözme amaçlı olarak kullanılan ısıtma elemanları uygulamaları da literatürde sıkça rastlanabilir. Teknolojiye olan talebin hızla artmasıyla gelecekte de TCF üzerinde yapılan çalışmaların çok daha fazla artması öngörülmektedir. TCF'lerin uygulama alanlarına göre parametreler değişmektedir. Örneğin, TCF'lerin düşük yüzey dirence ve iyi ısıl iletkenliğe sahip olması termal uygulamalarda, yüksek optik geçirgenlik özelliği göstermesi ise otomobil ve kokpit camlarında kullanılmasını mümkün kılmıştır. TCF için kullanılan malzemeler görünür dalga boylarında iyi optik geçirgenliği gösteren ve yüksek derecede elektriksel iletkenliğe sahip malzemeler sınıfını temsil etmektedir. Katkılı metal oksit grubunda olan indiyum kalay oksit (ITO), günümüze kadar TCF nanomateryalleri arasında literatürde en popüler çalışılan ve endüstrideki TCF uygulamalarında en yaygın kullanılan malzemelerden bir tanesi olmuştur. Yaklaşık % 90 optik geçirgenliğe ve < 100 Ω/kare yüzey direncine sahip olan ITO, geçmişte yapılan çalışmalarda ve optoelektronik endüstrisinde tercih edilme sebebi olmuştur. Bununla birlikte, ITO'nun birtakım dezavantajları bulunmakta ve bu sebeple yeni nesil teknolojiye ayak uyduramamaktadır. Bunlardan birincisi indiyumun dünya üzerinde nadir bulunması ve indiyim kalay oksit filmin yüksek sıcaklıklarda litografik modelleme gibi karmaşık üretim süreci içerdiğinden maliyetinin son derece yüksek olmasıdır. İkinci en büyük dezavantajı ise mekanik dayanıklılığının son derece düşük olmasıdır. Kırılgan yapısı, esnek TCF uygulamalarını ve geniş yüzey uygulamalarını kısıtlamakta, bükülmeyi ve esnemeyi içeren dokunmatik ekran uygulamalarında çatlamaya yol açmaktadır. ITO'nun polietilen tereftalat (PET) altlığa kaplanmış filmlerin elektriksel iletkenlikleri, cam altlığa kaplanmış filmlerden yaklaşık 5 kat daha düşüktür. Bu sebeple araştırmacılar ITO'nun sahip olduğu açıkları kapatacak, ucuz maliyetli, nano ölçekli yeni malzemeler bulma arayışına başlamışlardır. Son yıllarda, nanoteknolojideki hızlı gelişme, farklı özelliklere sahip nanomalzemelerin sentezlenmesi için yeni fırsatlar sunmuştur. Metal oksit nano partiküller, karbon yapılı nano malzemeler, metal nanoteller ve yüksek elektriksel iletkenlik gösteren polimerler gibi malzemelerin kullanımıyla bu alanda pek çok gelişme meydana gelmiştir. İyi mekanik esnekliğe sahip, yüksek optik geçirgenlik ve elektriksel iletkenliği olan grafen ve karbon nanotüpler (KNT'ler) gibi karbon yapılı nanomalzemeler, TCF'ler için son derece uygundur. Karbon yapılı malzemeler arasından KNT'ler, kolay ve ucuz üretimi, ayarlanabilen benzersiz elektronik yapısı ve kuru/ıslak kaplamalarda gösterdiği uyumluluğundan dolayı diğer nanomalzemeler arasından sıyrılmış ve bu sebeple literatürde çok popüler bir malzeme haline gelmiştir. PEDOT: PSS. Poli (3,4-etilendioksitiyofen): poli-(stirensülfonat) iletken bir polielektrolit kompleksidir. Günümüzde PEDOT: PSS çoğu laboratuvarlarda yaygın kullanılan bir nanomalzeme haline gelmiştir. Sulu çözeltilerindeki PEDOT ile PSS'in oranlarına göre yaklaşık 25 farklı formülasyonu mevcut bir şekilde ticari olarak satılmaktadır. Bu oranın değişimine göre iletkenlik artmaktadır. İnce film organik optoelektronik ve fotovoltaik cihazlarda, boşluk taşıyıcı tabaka (HTL) ya da transparan elektrot olarak yaygın kullanılmaktadır. Bu özelliklerinin yanında, geniş yüzey alanı gerektiren TCF uygulamalarında kolay kaplanma özelliğinden dolayı tercih edilmektedir. Yaygın bulunan bir malzeme olması nedeniyle de birçok yayına konu olmuştur. Elschner ve ark. tarafından 2010 yılında üretimi kapsamlı olarak incelenmiştir. ITO, KNT ve metal nanotel gibi yüksek yüzey pürüzlülüğüne sahip TCF malzemeleriyle pürüz azaltıcı ve koruyucu bir kaplama olarak da görev görmektedir. Bu malzemelerin yanısıra, metal nanotel ağları ve metal nanogridler gibi nanoyapılar, TCF'lerde benzersiz optoelektronik özellikleri ve potansiyel uygulamaları nedeniyle büyük ilgi görmektedir. Metal nanotel ağları genellikle sol-jel metoduyla oluşturulur, bu sayede üretim maliyeti son derece düşüktür. Sol-jel metoduyla üretilen boy/en oranı yüksek gümüş nanoteller (AgNW'ler), yüksek optoelektronik performansa sahip TCF'ler üretmek için ideal bir prosestir. AgNW elektrodunun yüzey direnci ve görünür bölgedeki optik geçirgenliği, ITO elektrodunun özelliklerine çok yakındır. ITO'da olduğu gibi, TCF'lere alternatif olarak yukarıda sıralanan malzemelerin dezavantajları bulunmaktadır. Örneğin KNT'lerin yan duvarlarında içerdikleri Van der Waals kuvvetleri, nanotüplerin birbirine yapışarak aglomerasyonuna yol açmakta ve çözücü içerisindeki dispersiyonlarını zorlaştırmaktadır. Öte yandan iletken polimerler arasından PEDOT:PSS ise, ortalama 1.5-2.5 pH seviyesine sahip yüksek asiditesi sahip olduğundan farklı malzemelerle birlikte kullanıldığında asit korozyonuna yol açmaktadır. Bunun yanısıra PEDOT:PSS higroskopik özellikte olup havada var olan nemi tutmaktadır. Bu durum ise PEDOT:PSS ince filmlerinin ortam koşullarına karşı son derece dayanıksız hale getirmekte ve buna bağlı olarak zamanla yüzey dirençlerinin yükselmesine sebep olmaktadır. AgNW filmlerinin en büyük eksiklikleri ise, pusluluklarının yüksek olması ve Ag elementinin pahalılığıdır. Bu bulgular sonucunda nanomalzemelerde sıkça görülen dezavantajlar, araştırmacıları nanokompozit yapılar oluşturmaya yönelik çalışmalar yapmaya itmiştir. Böylelikle malzemelerde yaşanan problemler farklı malzemelerle güçlendirilerek bir çözüm yolu aranmıştır. Tez çalışmasının amacı, tek duvarlı karbon nanotüp (TDKNT), AgNW ve PEDOT:PSS kullanarak yüksek iletkenlik ve optik geçirgenliğe sahip ince filmler üretmek olmuştur. Üretilen nanokompozit filmlerin optoelektronik cihazlara uygun, dayanıklı ve yüksek film kalitesinde olması hedeflenmiştir. Nanokompozit ince filmler üretilmeden önce her 3 malzemenin optimizasyon çalışmaları yapılmıştır. Üretilen nanokompozit filmlerin en alt katmanında yer alan TDKNT'ler sprey kaplama yöntemiyle kaplanmıştır. Yüksek performanslı TDKNT'li filmleri üretmek farklı başlıklarda incelenerek bu filmlerin optoelektronik özellikleri karşılaştırılmıştır. Kaplama öncesi ticari Tuball TDKNT'ler 3 M'lik nitrik asit (HNO3) çözeltisinde 3 saat boyunca kaynatılarak saflaştırılmıştır. Bu sayede TDKNT'ler metal safsızlıklarından arındırılmıştır. 1.5x1.5 cm boyutunda kesilen cam altlıklar ise 3 farklı çözücü ile ultrasonik banyoda temizlendikten (izopropil alkol, etanol ve deiyonize su) sonra kurutularak UV–ozon cihazında bekletilmiştir. Temiz camlara hidrofilik özellik kazandırmak için pirana (H2SO4:H2O2, 3:1) çözeltisinde 9 dakika boyunca bekletilmiş, ardından bol deiyonize su (DI) ile yıkama yapılarak azot (N2) tabancasıyla dikkatlice kurutulmuştur. Kurutulan camlar 200 C'ye ayarlı ısıtıcılara yerleştirilerek TDKNT'li filmlerin kaplamaları yapılmıştır. Bu kaplamalarda TDKNT konsantrasyonu etkisine ek olarak, sprey kaplama yönteminde püskürtme basıncının ve kullanılan hacmin optoelektronik özelliklere etkisi incelenmiştir. Yapılan çalışmalar doğrultusunda en iyi optoelektronik özelliklere sahip TDKNT'li filmlerin 0.1 mg/ml konsantrasyonuna sahip, optimum çalışma basıncı 2 bar olan ve 1.5 ile 2 ml sprey kaplama hacmi kullanılan filmler olduğu saptanmıştır. Bu optimizasyonlarla üretilen TDKNT'li filmlerin yüzey direnci ortalama 200-700 /sq aralığında ve görünür bölgede %70-89 optik geçirgenliğe sahip olduğu ölçülmüştür. Bu filmlerin yüksek yüzey dirençlerini düşürmeye yönelik HNO3 ve tiyonil klörür (SOCl2) ile kimyasal iyileştirmeler yapılmıştır. Nitrik asit muamelesi, 14.3 M ile gerçekleştirilmiştir. HNO3 çözeltisi ile iyileştirilmeler, farklı yöntemlere (bekletme ve damlatma) bağlı olarak üretilen filmlerin elektronik özelliklerine ve film kalitelerine olan etkileri incelenmiştir. Bekletme sonrası filmler deiyonize suyla yıkanarak 80°C'deki etüvde kurutulmuştur. HNO3 çözeltisinde bekletilen TDKNT'li filmlerin yüzeylerinin damlatma işlemine kıyasla daha çok zarar gördüğüne ve damlatma işleminin en az çözeltide bekletmek kadar efektif olduğuna dair bulgular elde edilmiştir. Damlatma yönteminde 14.3 M HNO3 çözeltisinin iyileştirme süreleri de ele alınarak filme olan etkileri incelenmiş, bu işlem sonrası ek olarak SOCl2 ile de muamele edilmiştir. Bu kapsamda, farklı sürelerde nitrik asit uygulanan filmler 97%'lik SOCl2 çözeltisinde 30 dakika boyunca bekletilmiştir. İyileştirme sonrası elde edilen filmler N2 tabancası ile kurutulmuş ve Raman spektroskopisi, taramalı elektron mikroskobu (SEM) , atomik kuvvet mikroskobu (AFM) ve dört noktalı prob ile karakterize edilmiştir. Yapılan analizlerle, HNO3 ve/veya HNO3/SOCl2 kullanılarak uygulanan kimyasal işlemlerin TDKNT'li filmlerin yüzey dirençlerini etkili bir şekilde düşürdükleri gözlemlenmiştir. Bu filmlerin performansları Figure of Merit (FOM) hesabıyla literatürdeki yapılan diğer çalışmalarla karşılaştırılmış, bu tez çalışmasındaki üretilen filmlerin (8.2 x 10-4 ile 2 x 10-3) performanslarının daha üstün olduğu görülmüştür. TDKNT'li filmlerin optimizasyonu sonrası iletken polimer ile nanokompozit film çalışmaları yapılmıştır. PEDOT:PSS çalışmalarında farklı dispersiyonlar (PH1000, PH500, FET) kullanılmış, bu dispersiyonların filmin optoelektronik özelliklerine ve kalitesine olan etkisi incelenmiştir. Yapılan çalışmalar sonucu PH 1000'in yüksek asiditesi yüzünden TDKNT'li filmlerin yüzeylerini HNO3 ile yapılan kimyasal iyileştirmelerdeki gibi zarar verdiği gözlemlenmiştir. Buna ek olarak ticari PEDOT:PSS'in mavi rengi TDKNT'li filmlerin optik geçirgenliğinde büyük bir düşüşe sebep olmaktadır. Bu nedenlerden ötürü dispersiyon olarak FET seçilerek optik geçirgenlikteki düşüşü önlemek için FET dispersiyonları 1:1 oranında DI su ile seyreltilmiştir. Ayrıca, Clevios PH 500 ve FET ile hazırlanan TDKNT/PEDOT:PSS'li ince filmlere dimetil sülfoksit (DMSO) ile kimyasal iyileştirmeler yapılmıştır. PH 500 ile yapılan filmlerin yüzey direncinde etkili bir düşüş görüldüğü fakat film kalitesinin düştüğü, FET ile yapılan filmlerde DMSO katkısının PH 500'deki kadar etkili olmadığı ve yüzey direncini yükselttiği görülmüştür. DMSO katkısının PEDOT:PSS zincirlerinde faz ayrımı yaptığını, PH 500 ve FET dispersiyonlarına ait ortalama tanecik boyutlarının birbirinden farklı olduğunu ve bu durumun DMSO konsantrasyonu ile ilişkili olduğu sonuçlarına varılmıştır. Tüm bulgular değerlendirildiğinde, PEDOT:PSS dispersiyonları arasından Clevios FET, TDKNT yüzeyine zarar vermeden kolayca kaplandığı için nanokompozit çalışmalarinda tercih edilmiştir. Clevios FET ile oluşturulan en başarılı TDKNT/PEDOT:PSS filmin 142 Ω/sq ve 55 % optik geçirgenlikte olduğu tespit edilmiştir. AgNW'ler, hazırlanan TDKNT/NMP ya da PEDOT:PSS/DI dispersiyonuna ilave edilerek 2 farklı yöntemle nanokompozitler üretilmiştir. Bu iki farklı stratejinin uygulanma amacı, AgNW'nin iki farklı malzeme içerisindeki gösterdiği performans ve film formasyonunun incelenip karşılaştırılmasıdır. İlk yöntemde, 0.05 mg toz AgNW FET dispersiyonuna eklenerek karıştırılmış ve üretilen TDKNT'li film üzerine dönel kaplama yöntemiyle kaplanarak nanokompozit TDKNT/PEDOT:PSS-AgNW filmleri oluşturulmuştur. İkinci yöntemde ise ilk yöntemdeki gibi aynı miktarı içeren toz AgNW'ler santrifüj sonrası elde edilen TDKNT/NMP çözeltisine eklenerek sprey kaplama yöntemiyle temiz cam substratlar üzerine kaplanmıştır. Üretilen TDKNT/AgNW filmlerin üzerine ise FET dönel kaplama yöntemiyle kaplanmış, TDKNT-AgNW/PEDOT:PSS filmleri oluşturulmuştur. Her iki yöntemle üretilen nanokompozit yapılı filmlerden beklenen düşük yüzey direnci ölçülememiştir. Yüksek yüzey direnci AgNW'lerin düşük boy uzunlukları ve safsızlıklarından ötürü düşük elektriksel iletkenliğe sahip oldukları ve AgNW'lerin ilk yapılan yöntemde PEDOT:PSS'in yüksek asiditesi sebebiyle boylarının daha fazla kırıldığı sebepleriyle açıklanabilmektedir. Bu iki yöntem arasında en iyi performansı ikinci yöntemle yapılan TDKNT-AgNW/PEDOT:PSS nanokompozit göstermiş olup, filmin direnci 220 Ω/sq, optik geçirgenliği ise görünür bölgede % 60 olarak ölçülmüştür.

Özet (Çeviri)

Transparent conductive films have become critical components in modern devices due to rapid developments in science and technology. These devices range from touch screens to solar cells that reach out to a large proportion of the industry and our daily lives. To date, progress in nanotechnology has led to the discovery of unique nanomaterials such as carbon nanotubes, metal nanowires, and conductive polymers. These nanomaterials have sparked many researchers' attention towards extensive research. However, it has been determined that each material has a number of drawbacks as well as benefits that restrict its use in large-scale production processes. Thus, researchers have focused their efforts on developing nanocomposites consisting of different materials in order to overcome the limitations imposed by these single components. The primary objective of this study is to develop nanocomposites that derive from SWCNTs, PEDOT:PSS and AgNWs to obtain highly conductive and transparent thin films. Highly conductive TCFs were prepared by dispersing SWCNTs in an NMP solution by spray coating method. Optoelectronic properties were studied by the effect of spray gun carrier gas pressure, concentration and volume sprayed onto the substrates. The prepared thin films were subjected to post treatments with nitric acid (HNO3) using different treatment methods and times in order to improve the electrical conductivity. To further investigate the effect of p-doping in SWCNT thin films, HNO3 treatments were combined with thionyl chloride (SOCl2). The experimental results indicated that spray coating is an effective method to obtain highly conductive films without any chemical treatment, resulting in 273 Ω/sq sheet resistance, at 84 % in the visible range. Additionally, the optimized films treated with both HNO3 and HNO3/SOCl2 showed great improvements at 83% - 85 % in the visible range and in sheet resistances followed by 98 Ω/sq and 103 Ω/sq with very good FOM values (1.6 x 10-3 and 2 x 10-3, respectively). The SWCNT films were introduced to different PEDOT: PSS dispersions (PH 1000, PH 500, Clevios FET) and thin films were fabricated with the spin coating method. Sheet resistance and optical transparency measurements of the films with different PEDOT: PSS solutions were evaluated, and the film quality of the films was also taken into consideration in determining the optimum concentration. The effect of DMSO on the overall conductivity of SWCNT/PEDOT: PSS thin films was also investigated in this thesis. As a result of these investigations, Clevios FET dispersions showed better film performance while the high acidity of PH 1000 and PH500 deteriorated the SWCNT film surface during spin coating fabrication. The sheet resistance of SWCNT/FET film was measured as 142 Ω/sq with a transmittace of 55%. Additionally, the DMSO post-treatments were found to be effective to decrease the sheet resistance of films fabricated using PH 500 dispersions, while the SWCNT/FET films were negatively impacted by the treatment. The inverse effects of the post-treatment method can be explained by the differences in PH 500 and Clevios FET's morphological structures and can be matched with other studies in the literature. The addition of AgNWs were incorporated into SWCNT and PEDOT:PSS inks using two different wet coating techniques. For the first strategy, the AgNWs were added to the PEDOT: PSS dispersion, and the SWCNT/PEDOT:PSS-AgNW nanocomposites were fabricated by the spin coating method. In the second approach, AgNWs were mixed into the SWCNT ink and films fabricated by the spray coating method. The PEDOT:PSS dispersion was spin coated in the final assembly of SWCNT-AgNW/PEDOT:PSS films. The addition of AgNWs did not result in a significant decrease in sheet resistance with either approach. The high surface resistance can be associated with the AgNWs' low electrical conductivity due to their low aspect ratio, bulk impurities, and/ or acid corrosion of AgNWs lead by PEDOT:PSS. SWCNT-AgNW/PEDOT:PSS nanocomposite made with the second method showed the best performance among these two methods, where the resistance of the film was measured as 220 W/sq with a 55% transmittance.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    416862

    Fabrication of single-walled carbon nanotube transparent conductive thin films

    Geçirgen ve iletken tek duvarlı karbon nanotüp ince filmlerin hazırlanması

    FATMA ÇOLAK

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2015

    Enerjiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NİLGÜN YAVUZ

  2. Tez No

    441700

    Fabrication and characterization of support layer for thin film nanocomposite desalination membranes

    İnce film nanokompozit desalinasyon membranları için destek tabakası üretimi ve karakterizasyonu

    KADER ÖZGÜR

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2016

    Kimya Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. MEHMET GÖKTUĞ AHUNBAY

  3. Tez No

    363707

    Synthesis of nanocomposites thin films and characterization of mechanical properties

    Nanokompozi̇t i̇nce fi̇lmleri̇n sentezi̇ ve mekani̇k özelli̇kleri̇ni̇n karakteri̇zasyonu

    İSMAİL HAKKI CENGİZHAN KARBAY

    Yüksek Lisans

    İngilizce

    İngilizce

    2014

    Mühendislik Bilimleriİstanbul Teknik Üniversitesi

    Nanobilim ve Nanomühendislik Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ESRA ÖZKAN ZAYİM

  4. Tez No

    612663

    Calix[4]pyrrole based sensors and supramolecular polymers

    Kaliks[4]pirol temelli sensörler ve supramoleküler polimerler

    SAMET YUVAYAPAN

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2019

    Kimyaİstanbul Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. ABDULLAH AYDOĞAN

  5. Tez No

    489427

    Functionalization and fabrication of polymer based device platform architectures for sensor applications

    Sensör uygulamaları için polimer tabanlı cihaz yüzeylerinin fonksiyonlandırılması ve üretilmesi

    SANİYE SÖYLEMEZ

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2018

    KimyaOrta Doğu Teknik Üniversitesi

    Kimya Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. LEVENT KAMİL TOPPARE

Geri Dön