Elektrické vlastnosti vícesložkových polymerních systémů.
Hlavní řešitel:
RNDr. Ivo Křivka, CSc.
Spoluřešitelé:
RNDr. Jan Prokeš, CSc.;
Oleksiy Starykov
Období řešení:
2001-2003
Celková dotace:
140 tis. Kč
Souhrn výsledků
Projekt se soustředil na studium elektrických vlastností kompozitních systémů, obsahujících polymerní složku. Zaměřili jsme se zejména na perspektivní a z hlediska přípravy jednoduché a levné systémy, v nichž je vodivá složka tvořena polyanilinem. Vzorky byly připravovány v ÚMCH AV ČR pod vedením RNDr. J. Stejskala, CSc. Na polymerních materiálech jsme měřili frekvenční a teplotní závislost komplexní dielektrické permitivity a dalších veličin při průchodu střídavého proudu. Soustředili jsme se na poly(anilin-co-1,4-phenylendiamin)y, jejichž elektrické vlastnosti je možno řídit složením reakční směsi. Měřením teplotní závislosti vodivosti a její polní závislosti byl vyloučen transportní mechanismus „Charge energy limited tunnelling“ (CELT). Kopolymerace tedy poskytuje materiál s řízeným obsahem lokalizovaných stavů, mezi nimiž se nositele elektrického náboje pohybují přeskokovým mechanismem označovaným „Variable range hopping“ (VRH). Pomocí frekvenční závislosti střídavé vodivosti byla charakterizována aktivační energie přeskoků. Z fononové frekvence vyplynulo, že nejde o kvazi- 1D-VRH, typické pro silně vodivé polyaniliny, nýbrž o tzv. 3D-VRH, což svědčí pro vysokou nehomogenitu rozložení monomeru v průběhu kopolymerace. Byly určeny parametry rozložení relaxačních časů dielektrické odezvy, které charakterizují neuspořádanost systému. Obdobnými metodami byly studovány polyanilinové báze protonované vodným roztokem organické kyseliny 3-nitro-1,2,4-triazol-5-one. Naměřená data opět svědčí pro 3D-VRH. Hodnota stejnosměrné vodivosti je úměrná stupni protonace. Aktivační energie nejprve s rostoucí protonací klesá, pak od úrovně 0.12 zůstává na konstantní hodnotě cca 0.1 eV, což je pravděpodobně prahová hodnota ionizace protiiontu dopantu. Byl zkoumán vliv teploty polymerace na rychlost procesu teplotního stárnutí. Měřené vzorky polymerované při různých teplotách byly společně vystaveny cyklování mezi pokojovou teplotou a cca 150 C. Vzorky polymerované za nižších teplot degradovaly pomaleji. Rtg. analýza u nich ukázala vyšší stupeň krystalinity. Z měření plyne, že polyanilin může být popsán jako systém vodivých ostrůvků rozptýlených v amorfní matrici. Uspořádání se sice stárnutím mění, ale důležitou roli hraje právě počáteční rozložení vodivých ostrůvků. Vyšší krystalinita vzorků připravených za nízké teploty svědčí o větším podílu vodivých ostrůvků. Pozorovaná souvislost mezi rychlostí stárnutí a stupněm krystalinity je v souladu s předpokladem, že stárnutí je spojeno s destrukcí hranic vodivých ostrůvků a jejich zmenšováním. S částečnou podporou projektu byl do aparatury pro studium dlouhodobých změn elektrické vodivosti doplněn nový držák, který má k dispozici pro každý vzorek osm platinových hrotových kontaktů. To umožňuje provádět na jednom vzorku dvě nezávislá měření metodou van der Pauwa (VDP) a zároveň získat data pro impedanční tomografii, která na rozdíl od integrální metody VDP poskytuje informaci o rozložení rezistivity ve vzorku. Průběžně byla měřena vodivost materiálů vystavených dlouhodobě zvýšené teplotě a definované vlhkosti (30–90%). Byly užity vrstvy tloušťky cca 130 nm. Strukturální změny byly zkoumány infračervenou spektroskopií (FTIR). V průběhu stárnutí pozorovány dva protichůdné procesy: (1) Zvýšením teploty dochází změnám ve struktuře, které snižují vodivost. (2) Vlivem vlhkosti dochází k postupnému nárůstu vodivosti. Jeho míra je úměrná vlhkosti prostředí. Měření FTIR spekter ukázalo, že struktury spojené s přítomností vodních molekul ve vrstvách jsou výraznější ve vzorcích stárnutých v atmosféře s vyšší relativní vlhkostí. Tento proces dosud nebyl v literatuře popsán.