Příprava a charakterizace plniv pro polymerní nanokompozitní vrstvy využitelné v elektronice

Thaiskang Jamatia

Doctoral thesis

Preparation and characterisation of fillers for polymer nanocomposite layers usable in electronics

Abstract:

The work centred on the one-pot microwave-assisted polyol synthesis of undoped and Fe- and Al-doped ZnO nanoparticles from zinc acetate precursor diethylene glycol (DEG) solution in 15 minutes. The microwave reactor is advantageous over conventional heating due to its rapid and uniform heating of the reaction mixtures. The main advantage of the polyol synthesis is its ability to reduce metal ions and passivation of surface defects in ZnO nanoparticles. The roles of small stoichiometric amounts of water and oleic acid (OA) as a capping agent in the synthesis were studied. The average particle size of undoped ZnO nanoparticles increases with the addition of multiples of equivalent amounts of water to the precursor solution. Also, the addition of the long-chain organic ligand, OA, yielded well-dispersed products without agglomerations. Moreover, it allowed fine dispersion of ZnO and doped ZnO nanoparticles in toluene which is necessary for the preparation of nanocomposites. Doping of the ZnO nanoparticles was carried out for altering the band gap of the semiconductor nanoparticles to modify its optical and electronic properties. Fe3+ source ions were reduced to Fe2+ ions, and incorporated to the host crystal lattice of nanoparticles. This p-doping decreased the UV luminescence intensity of the host nanoparticles. Addition of Al3+ ion source to the reaction mixture resulted in n-doping of the host nanoparticles imparting them enhanced UV luminescent intensity. The particle crystallinity and size of the nanocrystallites were analysed by X-ray diffraction (XRD), and transmission electron microscopy (TEM) images confirmed the morphology and size of the nanoparticles produced. Ultraviolet-visible spectroscopy (UV-Vis) and fluorescence measurement were conducted to analyse the optical properties of the nanoparticles. Diffuse reflectance (DR) UV-Vis measured the reflectance, and the band gap was estimated by Tauc plot. Brus' model was utilised to study the relation between the size of the semiconductor nanoparticles and its electronic structure. Finally, polymer light-emitting diodes (PLEDs) were prepared to demonstrate the ability of the tailored nanoparticles as fillers for polymer-matrix nanocomposite-based electronic devices. The dispersions of pure or variously doped ZnO nanoparticles in toluene solutions of poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-phenylene vinylene] (MEH-PPV) were spin-cast to obtain thin nanocomposite films serving as emissive layers in PLEDs. Electroluminescence (EL) was increased by the introduction of the nanoparticles. Specifically, Fe-doping decreased the opening bias while Al-doping enhanced the EL intensity greatly. Moreover, the chromaticity characteristics were improved by nanoparticles addition as well.

Abstract:

Práce se soustředí na jednokrokovou mikrovlnami asistovanou polyolovou syntézu nedopovaných a Fe- a Al-dopovaných nanočástic ZnO z octanu zinečnatého jako prekurzoru rozpuštěného v diethylen glykolu, která trvá vždy jen 15 minut. Mikrovlnný reaktor je výhodnější než konvenční, díky rychlosti a uniformitě ohřevu reakční směsi. Hlavní výhodou polyolové syntézy je schopnost redukovat ionty kovů a pasivace defektů na povrchu ZnO nanočástic. Byla studována role malých stechiometrických množství vody, a také kyseliny olejové (OA) jako povrch modifikujícího činidla, při syntéze. Průměrná velikost částic nedopovaného ZnO vzrůstá s přídavkem násobků molárně ekvivalentního množství vody do roztoku prekurzoru. Přídavek organického ligandu s dlouhým řetězcem, OA, vedl ke vzniku dobře dispergovaného produktu bez aglomerátů, navíc to umožňuje připravit disperze nanočástic ZnO (dopovaných i nedopovaných) v toluenu, což je nutné pro přípravu nanokompozitů. Dopování ZnO nanočástic bylo prováděno kvůli modifikaci zakázaného pásu polovodičových nanočástic pro úpravu jejich optických a elektronických vlastností. Fe3+ iony ze zdrojové soli se redukovaly na Fe2+ a byly přijaty do hostitelské krystalové mřížky nanočástic. Toto p-dopování potlačilo intenzitu UV luminiscence nanočástic. Přídavek zdroje Al3+ do reakční směsi vedl k n-dopování hostitelských nanočástic a nárůstu intenzity jejich UV luminiscence. Krystalinita a velikost nanokrystalitů byly analyzovány rentgenovou difraktometrií (XRD) a transmisní elektronová mikroskopie (TEM) ověřila morfologii a velikost připravených nanočástic. Optické vlastnosti nanočástic byly analyzovány spektrometrií v ultrafialové a viditelné oblasti (UV-Vis) a měřeními fluorescence. Difuzně reflektanční (DR) UV-Vis měření reflektance umožnilo stanovení šířky zakázaného pásu z Taucova grafu. Brusova rovnice byla využita jako model pro studium vztahu velikosti nanočástice a jejich elektronické struktury. Naposledy byly vybrány polymerní světlo emitující diody (PLED) jako příkladné elektronické prvky, aby se na nich demonstrovaly účinky tailorovaných nanočástic jako plniv pro nanokompozity s polymerní matricí pro využití v elektronice. Disperze čistých nebo různě dopovaných ZnO nanočástic v toluenových roztocích poly[2-methoxy-5-(2'-ethylhexyloxy)-1,4-fenylene vinylene] (MEH-PPV) byly nanášeny rotačním litím tak, aby se připravila tenká nanokompozitní vrstva sloužící po dohotovení přípravku jako samotná emisní vrstva v PLED. Intenzita elektroluminiscence se přidáním nanočástic do aktivní vrstvy zvyšovala. Přídavek Fe-dopovaných nanočástic snížil otevírací napětí diod, zatímco přídavek Al-dopovaných nanočástic zvýšil intenzitu EL. Navíc byly přídavkem nanočástic vylepšeny chromatické charakteristiky diod.

Keywords

mikrovlny, polyol, oxid zinečnatý, dopování, nanočástice, MEH-PPV, nanokompozit, polymerní světlo emitující dioda.

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 17. 7. 2020

Thesis defence

• Date of defence: 15. 9. 2020
• Supervisor: doc. Ing. et Ing. Ivo Kuřitka, Ph.D. et Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

Doctoral programme / field:
Chemistry and Materials Technology / Technology of Macromolecular Compounds