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PEDOT:PSS

PEDOT:PSS
Conmutación electrocrómica en dos electrodos PEDOT:PSS conectados por un trozo de tiras de tampón PhastGel SDS . Los electrodos se oxidaron y redujeron de forma reversible y repetida cambiando la polaridad de un potencial de 1 V aplicado. Esto se observó mediante un cambio de color entre azul oscuro (PEDOT reducido) y azul claro (PEDOT oxidado) dentro de los electrodos, lo que demuestra el transporte de iones entre y hacia los electrodos. [1]

El poli(3,4-etilendioxitiofeno) poliestireno sulfonato ( PEDOT:PSS ) es un material compuesto donde el PEDOT (el polímero conductor ) proporciona conductividad eléctrica, y el PSS ( poliestireno sulfonato ) actúa como un contraión para equilibrar la carga y mejorar la solubilidad en agua y la procesabilidad del PEDOT. El poliestireno sulfonato es un poliestireno sulfonado . Parte de los grupos sulfonilo están desprotonados y llevan una carga negativa. El otro componente, el poli(3,4-etilendioxitiofeno) (PEDOT), es un polímero conjugado y lleva cargas positivas y se basa en politiofeno . Juntas, las macromoléculas cargadas forman una sal macromolecular . [2]

Síntesis

El PEDOT:PSS se puede preparar mezclando una solución acuosa de PSS con monómero EDOT y, a la mezcla resultante, una solución de persulfato de sodio y sulfato férrico . [3] [4] La adición de estos reactivos inicia la polimerización química oxidativa del EDOT en agua para formar PEDOT. [5] El PSS estabilizador forma una capa alrededor de un núcleo de PEDOT en una estructura de tamaño nanométrico. Los iones de ácido sulfónico con carga negativa ayudan a estabilizar los iones de PEDOT con carga positiva. [6]

Aplicaciones

El PEDOT:PSS tiene la mayor eficiencia entre los materiales termoeléctricos orgánicos conductores (ZT~0,42) y, por lo tanto, se puede utilizar en generadores termoeléctricos flexibles . [7] Sin embargo, su mayor aplicación es como polímero conductor transparente con alta ductilidad . Por ejemplo, AGFA recubre 200 millones de películas fotográficas por año [ cita requerida ] con una capa delgada y ampliamente estirada de PEDOT:PSS prácticamente transparente e incoloro como agente antiestático para evitar descargas electrostáticas durante la producción y el uso normal de la película, independientemente de las condiciones de humedad , y como electrolito en condensadores electrolíticos de polímero . [ aclaración necesaria ]

Si se añaden compuestos orgánicos, incluidos disolventes de alto punto de ebullición como metilpirrolidona , dimetilsulfóxido , sorbitol , líquidos iónicos y surfactantes, la conductividad aumenta en muchos órdenes de magnitud. [8] [9] [10] [11] [12] Esto también lo hace adecuado como electrodo transparente , por ejemplo en pantallas táctiles , diodos orgánicos emisores de luz , [13] células solares orgánicas flexibles [14] [15] y papel electrónico para reemplazar el óxido de indio y estaño (ITO) tradicionalmente utilizado. Debido a su alta conductividad (hasta 4600 S/cm), [16] se puede utilizar como material de cátodo en condensadores que reemplazan al dióxido de manganeso o a los electrolitos líquidos . También se utiliza en transistores electroquímicos orgánicos .

La conductividad de PEDOT:PSS también se puede mejorar significativamente mediante un postratamiento con varios compuestos, como etilenglicol , dimetilsulfóxido (DMSO), sales, zwitteriones , codisolventes, ácidos, alcoholes, fenol, dioles geminales y compuestos fluorados anfifílicos. [17] [ 18] [19] [20] [21] Esta conductividad es comparable a la de ITO, el popular material de electrodo transparente, y puede triplicar la de ITO después de que una red de nanotubos de carbono y nanocables de plata se incruste en PEDOT:PSS [22] y se use para dispositivos orgánicos flexibles. [23]

El PEDOT:PSS se aplica generalmente como una dispersión de partículas gelificadas en agua . Se obtiene una capa conductora sobre el vidrio extendiendo una capa de la dispersión sobre la superficie, generalmente mediante recubrimiento por centrifugación y expulsando el agua mediante calor. Se desarrollaron tintas y formulaciones especiales de PEDOT:PSS para diferentes procesos de recubrimiento e impresión . Las tintas PEDOT:PSS a base de agua se utilizan principalmente en recubrimiento con matriz de ranura, flexografía , huecograbado e impresión por inyección de tinta . Si se requiere una pasta de alta viscosidad y secado lento, como en los procesos de serigrafía, el PEDOT:PSS también se puede suministrar en disolventes de alto punto de ebullición como el propanodiol . Los pellets secos de PEDOT:PSS se pueden producir con un método de secado por congelación que son redispersables en agua y diferentes disolventes , por ejemplo, etanol para aumentar la velocidad de secado durante la impresión. Finalmente, para superar la degradación a la luz ultravioleta y las condiciones de alta temperatura o humedad , están disponibles los estabilizadores UV PEDOT:PSS. La Universidad de Linköping afirma haber creado un "transistor de madera" sustituyendo la lignina de la madera de balsa por PEDOT:PSS [24]

Propiedades mecánicas

Dado que el PEDOT:PSS se utiliza con mayor frecuencia en arquitecturas de película delgada , se han desarrollado varios métodos para probar con precisión sus propiedades mecánicas; por ejemplo, pruebas de tracción con soporte de agua, pruebas de flexión de cuatro puntos para medir la energía de fractura adhesiva y cohesiva, pruebas de pandeo para medir el módulo y pruebas de flexión en soportes de PDMS y polietileno para probar la deformación de inicio de la grieta. [25] Aunque el PEDOT:PSS tiene una movilidad eléctrica menor que el silicio , que también se puede incorporar en la electrónica flexible mediante la incorporación de estructuras de alivio de tensión, el PEDOT:PSS suficientemente flexible puede permitir un procesamiento de menor costo, como el procesamiento de rollo a rollo . [26] Las características más importantes para un semiconductor orgánico utilizado en arquitecturas de película delgada son un módulo bajo en el régimen elástico y una alta capacidad de estiramiento antes de la fractura. [26] Se ha descubierto que estas propiedades están altamente correlacionadas con la humedad relativa. [27] A una humedad relativa alta (>40%) los enlaces de hidrógeno se debilitan en el PSS debido a la absorción de agua, lo que conduce a una mayor deformación antes de la fractura y un menor módulo elástico. A una humedad relativa baja (<23%) la presencia de una fuerte unión entre los granos de PSS conduce a un mayor módulo y una menor deformación antes de la fractura. Se presume que las películas a una humedad relativa más alta fallan por fractura intergranular , mientras que una humedad relativa más baja conduce a una fractura transgranular . Los aditivos como el 3-glicidoxipropiltrimetoxisilano (GOPS) pueden mejorar drásticamente la estabilidad mecánica en medios acuosos incluso a bajas concentraciones del 1% en peso sin impedir significativamente las propiedades eléctricas. [28]

El PEDOT:PSS también puede mostrar propiedades de autocuración si se sumerge en agua después de sufrir daños mecánicos. [29] Se propone que esta capacidad de autocuración se habilita por la propiedad higroscópica del PSS − . [30] Los aditivos PEDOT:PSS comunes que mejoran la conductividad eléctrica tienen diversos efectos sobre la autocuración. Mientras que el etilenglicol mejora la autocuración eléctrica y mecánica, el ácido sulfúrico reduce la primera pero mejora la segunda, presumiblemente porque sufre autoprotólisis . El polietilenglicol mejora la autocuración eléctrica y termoeléctrica, pero reduce la autocuración mecánica. [30]

El PEDOT:PSS también es atractivo para aplicaciones textiles conductoras. Aunque da como resultado propiedades termoeléctricas inferiores, se ha demostrado que el hilado en húmedo da como resultado fibras rígidas y de alta conductividad debido a la alineación preferencial de las cadenas de polímeros durante el estirado de la fibra. [31]

Referencias

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