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Authors: Sun, Ling
Title: Nanoscopic studies of conjugated polymer blends by (electric) scanning probe microscopy
Online publication date: 14-Jul-2010
Language: english
Abstract: Conjugated polymers and conjugated polymer blends have attracted great interest due to their potential applications in biosensors and organic electronics. The sub-100 nm morphology of these materials is known to heavily influence their electromechanical properties and the performance of devices they are part of. Electromechanical properties include charge injection, transport, recombination, and trapping, the phase behavior and the mechanical robustness of polymers and blends. Electrical scanning probe microscopy techniques are ideal tools to measure simultaneously electric (conductivity and surface potential) and dielectric (dielectric constant) properties, surface morphology, and mechanical properties of thin films of conjugated polymers and their blends.rnIn this thesis, I first present a combined topography, Kelvin probe force microscopy (KPFM), and scanning conductive torsion mode microscopy (SCTMM) study on a gold/polystyrene model system. This system is a mimic for conjugated polymer blends where conductive domains (gold nanoparticles) are embedded in a non-conductive matrix (polystyrene film), like for polypyrrole:polystyrene sulfonate (PPy:PSS), and poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS). I controlled the nanoscale morphology of the model by varying the distribution of gold nanoparticles in the polystyrene films. I studied the influence of different morphologies on the surface potential measured by KPFM and on the conductivity measured by SCTMM. By the knowledge I gained from analyzing the data of the model system I was able to predict the nanostructure of a homemade PPy:PSS blend.rnThe morphologic, electric, and dielectric properties of water based conjugated polymer blends, e.g. PPy:PSS or PEDOT:PSS, are known to be influenced by their water content. These properties also influence the macroscopic performance when the polymer blends are employed in a device. In the second part I therefore present an in situ humidity-dependence study on PPy:PSS films spin-coated and drop-coated on hydrophobic highly ordered pyrolytic graphite substrates by KPFM. I additionally used a particular KPFM mode that detects the second harmonic electrostatic force. With this, I obtained images of dielectric constants of samples. Upon increasing relative humidity, the surface morphology and composition of the films changed. I also observed that relative humidity affected thermally unannealed and annealed PPy:PSS films differently. rnThe conductivity of a conjugated polymer may change once it is embedded in a non-conductive matrix, like for PPy embedded in PSS. To measure the conductivity of single conjugated polymer particles, in the third part, I present a direct method based on microscopic four-point probes. I started with metal core-shell and metal bulk particles as models, and measured their conductivities. The study could be extended to measure conductivity of single PPy particles (core-shell and bulk) with a diameter of a few micrometers.
In dieser Arbeit stelle ich zunächst eine kombinierte Studie der Topographie, Kelvin probe force Mikroskopie (KPFM) und scanning conductive torsion mode Mikroskopie (SCTMM) eines Gold/Polystyrol Modellsystems vor. Dieses System ist ein Modell für konjugierte Polymer-Mischungen, bei denen leitfähige Domänen (Gold-Nanopartikel) in einer nicht leitfähigen Matrix (Polystyrol-Film) eingebettet sind, wie zum Beispiel Polypyrrol:Polystyrolsulfonat (PPY:PSS) und Poly(3,4-ethylendioxythiophen):Poly(styrolsulfonat) (PEDOT:PSS). Ich kontrollierte die Morphologie des Modellsystems im Nanometerbereich durch Variation der Gold-Nanopartikel-Verteilung im Polystyrol-Film. Ich untersuchte weiterhin den Einfluss der unterschiedlichen Morphologien auf das Oberflächenpotential mittels KPFM und auf die Leitfähigkeit mittels SCTMM. Mit den Erkenntnissen, die ich durch die Studien dieses Modellsystems erhielt, war ich in der Lage, die Nanostruktur einer selbst hergestellten PPy:PSS Mischung vorauszusagen.rnEs ist bekannt, dass die morphologischen, elektrischen und dielektrischen Eigenschaften von Wasser bezogen auf konjugierte Polymer-Mischungen, zum Beispiel PPy:PSS oder PEDOT:PSS, abhängig vom Wassergehalt der Mischungen sind. Diese Eigenschaften beeinflussen außerdem die makroskopischen Eigenschaften, wenn sie in elektrischen Bauteilen zum Einsatz kommen. Im zweiten Teil meiner Arbeit beschäftigte ich mich daher mit einer in-situ Studie von gespin- und gedropcoateten PPy:PSS Filmen auf Graphit Substraten in Abhängigkeit von der Luftfeuchtigkeit. Es wurde zusätzlich ein spezieller KPFM Modus zur Charakterisierung eingesetzt, der die zweite harmonische elektrostatische Kraft detektiert. Bei Erhöhung der relativen Luftfeuchtigkeit verändern sich sowohl die Filmzusammensetzung als auch die Morphologie. Ich konnte außerdem zeigen, dass die relative Luftfeuchtigkeit unterschiedliche Auswirkungen auf thermisch getemperte und ungetemperte PPy:PSS Filme hat.rnIst ein konjugiertes Polymer in eine nicht leitfähige Matrix eingebettet, verändert dies seine Leitfähigkeit. Um diese für einen einzelnen konjugierten Polymer-Partikel zu untersuchen, präsentiere ich im dritten Teil meiner Arbeit eine direkte Methode, die auf einer mikroskopischen Vier-Punkt-Technik basiert. Ich untersuchte zunächst die Leitfähigkeit von Kern-Schale und losen Metall-Partikeln als Modellsysteme. Diese Studie konnte auf die Messung der Leitfähigkeit einzelner PPy Partikel (Kern-Schale und lose) mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern erweitert werden.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place: Mainz
URN: urn:nbn:de:hebis:77-23268
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: In Copyright
Information on rights of use:
Extent: 113 S.
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