Elektronické vlastnosti tenkých polymerních vrstev: Studie struktury mezi nano-a mikroškálou

Ing. Pavel URBÁNEK

Doctoral thesis

Electronic Properties of Thin Polymer Films: A Study of Structure between Nano- and Microscale

Abstract:

Hlavními body výzkumu prezentovaného v této disertační práci je příprava tenkých polymerních filmů a studium jejich optoelektrických vlastností, přičemž je brán do úvahy vývoj strukturního uspořádání polymerních řetězců v tenkých filmech závisející na jejich tloušťce. To má v konečném důsledku zásadní vliv na jakékoliv zamýšlené aplikace. Jako referenční materiály byly použity Sigma- a Pí-konjugované polymery, konkrétně polysilany a derivát polyphenylenvinylenu - MEH-PPV. Krátký teoretický úvod o konjugovaných polymerech představuje Kapitola 1. Možnosti, jak zlepšovat jejich vlastnosti pomocí přípravy kompozitního materiálu, kde jako plnivo jsou použity funkcionalizované nanočástice, jsou diskutovány v Sekci 1.2. Hlavní techniky přípravy a depozice tenkých vrstev jsou rozebrány a popsány v Kapitole 2. V Kapitole 3 jsou zmíněny a popsány techniky, které byly použity pro charakterizaci připravených tenkých filmů. Kapitola 4 sumarizuje hlavní cíle této disertační práce. V Kapitole 5 jsou zmíněny metody a podmínky během přípravy tenkých vrstev z čistého MEH-PPV, polysilanů a kompozitního materiálu. Jsou zde uvedeny a diskutovány zkušenosti a výsledky získané během depozice tenkých vrstev. V Kapitole 6, Sekci 6.1, je uvedena fotoluminiscenční studie tenkých filmů připravených z čistého polymeru MEH-PPV. V Sekci 6.2 je představena studie závislosti difúzní délky excitonu v tenkých vrstvách na jejich tloušťce. Materiálové vlastnosti jsou studovány a interpretovány z mikrofyzikálního hlediska, v závislosti na tloušťkách filmů dochází ke změnám PL, molekulových a mezimolekulových rekombinací excitonů, jakož i ke změně difúzní délky excitonu. Navíc tyto fyzikální vlastnosti jsou velmi důležité z hlediska praktického použití a jsou silně závislé na strukturním uspořádání v tenkých filmech. V Kapitole 7, Sekci 7.1, je uvedena souhrnná PL studie o polysilanech, přičemž jsou diskutovány spektrální změny závisející na tloušťce vrstvy. V Sekci 7.2 je prezentována UV-degradační studie polysilanů. Zde je nutno podotknout, že v materiálu neprobíhá jenom degradace, ale také se objevuje fenomén "samo-opravy" materiálu v průběhu i po expozici UV zářením. Získané výsledky společně s dřívějšími pracemi podporují teorii různě uspořádaných polymerních řetězců ve vrstvě závisejících hlavně na jejich tloušťce, obdobně jako v případě Pí-konjugovaného polymeru. Část práce prezentovaná v Kapitole 8 pojednává o přípravě a vlastnostech kompozitního materiálu z polymeru MEH-PPV a nanočástic ZnO a CdS. Takto připravený kompozit byl použit pro zhotovení vzorku aplikace, tj. polymerní OLED diody a hybridní struktury pro fotovoltaiku. Kapitola 9 je shrnutí závěrů vyplývajících z výsledků prezentovaných v této disertační práci. Kapitola 10 přináší několik autorových návrhů pro budoucí a následný výzkum v oblasti polo- a vodivých polymerů, tzn. Sigma- a Pí-konjugovaných materiálů, s ohledem na specifické podmínky a metody dostupné na Centru polymerních systémů na Univerzitě Tomáše Bati ve Zlíně.

Abstract:

The main goals of the research presented in this thesis are preparation of thin polymer films and study of their optic and optoelectronic properties considering the structural ordering depending on their thickness with fundamental impact on final applications. As reference materials were used both Sigma- and Pí-conjugated polymer material, namely polysilanes and derivative of polyphenylenvinylene - MEH-PPV. A brief theoretical background for conjugated and conductive polymers is reviewed in Chapter 1. The possibilities, how to improve their properties by preparation of composites with functionalized nanoparticles, are discussed in Section 1.2. Main techniques for thin films preparation and casting are discussed and described in Chapter 2. In Chapter 3 are mentioned and described techniques used for characterization of prepared thin films. Chapter 4 summarizes the main goals of this thesis. In Chapter 5, the method and conditions for thin films casting from neat MEH-PPV polymer, polysilanes and from composite material are described in more detail and results and experience achieved during the sample preparation are discussed. In Chapter 6, Section 6.1, a photoluminescence study of thin films from neat MEH-PPV is reported. In Section 6.2, the study of exciton diffusion length in thin MEH-PPV films is presented. Material properties are studied and interpreted from microphysical point of view, photoluminescence changes and inter- or intrachain exciton recombination or changing diffusion exciton length differing in thin and thick films are discussed. These physical properties are most important for practical use and are strongly dependent on the structural ordering in thin films, which has been shown to be tightly related to the thickness of films. In Chapter 7, Section 7.1, a comprehensive photoluminescence study of polysilanes is introduced and the results discussed in terms of spectral changes depending on the film thickness. In Section 7.2, the UV-degradability study of polysilanes is presented. Not only the polymer deterioration but also self-recovering processes occur in polysilanes films during and after UV irradiation. This study together with earlier published results support the theory of different conformational ordering of polymer chains depending on the films thickness as in case of Pí-conjugated polymer. In Chapter 8, the work is targeted on the composite preparation from MEH-PPV and ZnO and CdS nanoparticles and evaluation of improved properties of this material used for final application, i.e. polymer OLED devices and hybrid structures for photovoltaic. Chapter 9 is framed as a summary of conclusions of this thesis. In Chapter 10, are brought several author's suggestions for future research in the field of semi- or conductive polymers, i.e. Sigma- and Pí- conjugated materials in respect to specific conditions and methods which are available in the Centre of Polymer Systems at the Tomas Bata University in Zlin.

Keywords

Tenké filmy, konjugované polymery, uspořádání struktury.

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 5. 2014

Accessible from:: 1. 5. 2014

Thesis defence

• Date of defence: 24. 6. 2014
• Supervisor: doc. Ing. Ivo Kuřitka, Ph.D.

Tomas Bata University in Zlín

Faculty of Technology

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