Abscheidung von PEDOT-Filmen auf Zinn-Substraten Ein...
Transcript of Abscheidung von PEDOT-Filmen auf Zinn-Substraten Ein...
Ralf Peipmann
Seite 1
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
Abscheidung von Abscheidung von PEDOTPEDOT--FilmenFilmen aufaufZinnZinn--SubstratenSubstraten
Ein Beitrag zur Konditionierung von Ein Beitrag zur Konditionierung von stromdurchflossenenstromdurchflossenen textilen Komponententextilen Komponenten
YuzeYuze Zhang, Zhang, QiangQiang Wang, Wang, Ralf PeipmannRalf Peipmann
Ralf Peipmann
Seite 2
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
Agenda
• Einführung
• Was ist “PEDOT” ?
• Das Textilgewebe.
• Die Aufgabe!
• Erste Schritte
• Abscheidung von PEDOT auf Sn
• Korrosionstests
• Elektrochemische Impedanzspektroskopie (EIS)
• Salztest
• Zusammenfassung
Ralf Peipmann
Seite 3
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
Poly(3,4-ethylendioxythiophen) (PEDOT)
• intrinsisch leitfähiges Polymer (ILP)• hohe Leitfähigkeit – Halbleiter ( 10-300 (550) S/cm)• verschiedene Oxidationszustände ( Eigenschaften)
reduziert – neutral – oxidiert
• keine Quervernetzung durch3,4-Ethoxybrücke
• hohe Zyklenfestigkeit (CV)• Farbe: dunkelblau – blassblau/farblos• chemisch stabil:
Oxidation durch Luftsauerstoff – stabil• Löslichkeit:
PEDOT unlöslichPEDOT:PSS Suspension für Spincoating EDOT schlecht (Wasser: 14,8 mM)
• elektrochemische Abscheidung möglich (~1 V vs. Ag/AgCl)» Synthetische Metalle «
O O
S n
M. Rehahn; ChiuZ, 37 (2003) 1, 19-30
Ralf Peipmann
Seite 4
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
PEDOT - Anwendungen
www.attingo.com
• antistatische Beschichtungen(Spannungs- und Staubschutz) antistatische Verpackungen Beschichtung in Kathodenstrahl-Kammern
• Primer zur Beschichtung von Plastikteilen• gedruckte Leiterplatten gedruckte Leiterbahnen auf flexiblen Substraten RFID Durchkontaktierung von Leiterplatten
• Elektroden oder Feststoff-Elektrolyt Batterien Kondensatoren, Superkondensatoren transparente Elektrode (ITO-Ersatz) für LEDs Sensoren
• Lochinjektionsschicht für OLEDs• „künstliche“ Muskel oder Schalter
www.rawsolar.co.uk
T.F. Otero et al.youtube
Ralf Peipmann
Seite 5
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
PEDOT - Elektrochemie
S
O
O
S
O
O
S
O
O
S
O
O
S
O
O
S
O
O
+S
O
O
S
O
O
S
O
O
S
O
O
+
S
O
O
S
O
O-e- + A-
+e- - A-
A-
+S
O
O
S
O
O
S
O
O
S
O
O
+
S
O
O
S
O
O-e- + A-
+e- - A-
A-
A-
Neutral Radikalkation(Polaron)
Dikation(Bipolaron)
-e- + A-
+e- - A-
benzoidchinoid
Ralf Peipmann
Seite 6
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
Das (Textil-) Gewebe
BusAnodeKathode
Textilgewebe
Sn@Cu-Draht
Träger
Heizdraht (Polymer)
40 g/l NaCl; 12V/5A, 15 min
Ralf Peipmann
Seite 7
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
Das Problem
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5E / V
E0
Sn/Sn2+ E0
Sn2+/Sn4+ E0
EDOT/EDOT+ E0
O2-/O2
• Sn@Cu-Draht mit korrosionshemmender Schicht überziehen
PEDOT
• Ist es möglich EDOT auf Sn abzuscheiden?
+1,0 V Polymerisationspotential EDOT vs.
-0,14 V Gleichgewichtspotential Sn
potentiostatisch, cyclovoltammetrisch, … ?
Leitsalz ?
Lösungsmittel (Wasser, Acetonitril) ?
• Korrosionsverhalten des Systems?
12 V?
Ralf Peipmann
Seite 8
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
PEDOT – Leitsalz und LösungsmittelPEDOT(ClO4,AN)PEDOT(ClO4,aq)
PEDOT(SO4,aq)PEDOT(PO4,aq)
Lösungsmittel und Leitsalz bestimmen MorphologieMorphologie korreliert mit Steifigkeit (Schermodul) R. Peipmann; Dissertation,
TU Dresden (2012)
Ralf Peipmann
Seite 9
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
EDOT-freier Elektrolyt (1)
-1.0 -0.5 0.0 0.5
0
2
4
2
I / m
A
E / V
0.1M LiClO4
1st run
2nd run
3rd run1
3-5
-1.0 -0.5 0.0 0.5-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
E / V
1,2
1,32
3
4
5
-1.0 -0.5 0.0 0.5-2
0
2
E / V
1
55
3x5 konsekutive Zyklen in 0.1M LiClO4; 100 mV/s
E vs. Ag/AgClsat.
Ralf Peipmann
Seite 10
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
EDOT-freier Elektrolyt (2)
-1.0 -0.5 0.0 0.5
-8
-6
-4
-2
0
2
4
6
8
10
12
14
I / m
A
E / V
0.1M LiClO4 + 0.05M SDS
1st run
2nd run
3rd run
1
1
2
2,5
3
3
4
4
5
-1.0 -0.5 0.0 0.5
-2
0
2
5
5
E / V
1
1
-1.0 -0.5 0.0 0.5
-2
0
2
5
5
E / V
1
1
3x5 konsekutive Zyklen in 0.1M LiClO4 + 50mM SDS; 100 mV/s
SDS = Sodiumdodecylsulfonat
Ralf Peipmann
Seite 11
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
EDOT-haltiger Elektrolyt
-0.6 -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2
-1
0
1
2
3
4
I /
mA
E / V
1
(f)
5+10 konsekutive Zyklen in 0.1M LiClO4 + 50mM SDS + 50mM EDOT; 1.0|1.1V, 100 mV/s
• Sn-Oxidation beiE = -0.2 … +0.2
• EDOT Polymerisation ab ca. 0.9 V
• nur geringePolymerisierung imersten Zyklus
Ralf Peipmann
Seite 12
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
Potentiostatische Abscheidung (g,h,j)
0.1M LiClO4 + 50mM SDS + 50mM EDOT, 1.0V @ t>10s
0 120 240 360 480 600
0
2
4
6
I /
mA
t / s
konkurrierende Reaktionen:(1) Sn-Auflösung(2) PEDOT-Herstellung
1 2
• Polymerisation bevorzugt an den Rändern des Geflechts
• H2-Entwickung an der Gegenelektrode
in Flecken
dicht
• EDX bestätigt Sn nachPEDOT-Abscheidung
Ralf Peipmann
Seite 13
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
Cyclovoltammetrie (CV)
-0.50 -0.25 0.00 0.25 0.50 0.75 1.00 1.25 1.50-20
-10
0
10
20
30i*
/ m
A/c
m²
E / V
Sn/Cu (i) PEDOT@Sn/Cu (600s) (j) PEDOT@Sn/Cu (300s) (h)
* estimated area
40 g/l NaCl, 100 mV/s, steigendes anodisches Umkehrpotential
Kurven werden mit längerer Abscheidungszeit steiler Sn-Ionen-Konzentration steigt
Ralf Peipmann
Seite 14
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
CV - Filmbeständigkeit
0 s 300 s 600 s
Ralf Peipmann
Seite 15
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
PEDOT – Leitsalz und Lösungsmittel
10m 100m 1 10 100 1k 10k 100k 1M
20
40
60
80
100
30 40 50 60 70 80 9020
10
0
-10
-20
-30
-40
-50
|Z| /
f / Hz
-0.5 V ±0.0 V +0.5 V +1.0 V
-40
-20
0
20
/
°
Z"
/
Z' /
40 g/l NaCl; ±10 mV
??
(k)
„isolierendes PEDOT“
„leitfähiges PEDOT“
Ralf Peipmann
Seite 16
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
Korrosionstest – Salztest (l)
40 g/l NaCl, 12V/5A, 3 min
PEDOT@SnCu als Anode:I ~ 80-100 mAkeine sichtbare Gasentwicklungkeine Verfärbung des Elektrolyten / Zerstörung der Elektrode
PEDOT@SnCu als Kathode:I ~ 50 mAstarke Gasentwicklung (H2)teilweise Ablösung von PEDOT
A ~ 2 0,5 cm²
Ralf Peipmann
Seite 17
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
Korrosionstest - Salztest
0 5 10 15 20 25 300.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
I /
A
t / min
PEDOT(LiClO4)
PEDOT(Na2HPO
4)
PEDOT(KPhth)
40 g/l NaCl, 12V/5A, 30 min
Kathode: starke H2-Bildung (Elektrolyt wird stark basisch)Anode: gelblich-grüne Schleier, Zerstörung
Ralf Peipmann
Seite 18
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
Hergestellte PEDOT-Filme
--<0.5V++PEDOT(LiClO4, SDS, aq)
+PEDOT(LiClO4, aq)
Sn-Blech CV
-PEDOT(LiClO4, AN)
Cu[25]
++-?-0PEDOT(KPhth, SDS, aq)
---?-+++PEDOT(NaH2PO4, SDS, aq)
SalztestEISAbscheidungFilm
100 mM Leitsalz, 50 mM EDOT, 50 mM SDS
Ralf Peipmann
Seite 19
SmartTex-Symposium
28.11.2012
Institut für WerkstofftechnikFachgebiet Elektrochemie und Galvanotechnikwww.tu-ilmenau.de/wt-ecg/
Zusammenfassung• PEDOT kann auf Sn abgeschieden werden
nicht aus Acetonitril
• zu Beginn der Polymerisation dominiert Sn-Oxidation
• Abscheidung ist nicht homogen, keine vollständige Bedeckung bei
t < 600 s
• Filme halten bei Oxidation Sn-Ionen
• Salztest:
• 3 min: keine sichtbaren Schäden an der Anode
PEDOT-Ablösung an der Kathode durch H2-Bildung
und Vorschädigung
• 30 min: weitgehende Zerstörung der Anode
keine Zerstörung des PEDOT-Films an der Kathode