Electrical Properties of Hybrid Composites Based on Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) with ZnO and Porous Silicon Nanoparticles

The electrical properties of hybrid nanosystem based on poly(3,4 ethylenedioxythiophene) with ZnO and porous silicon nanoparticles were studied by the methods of current-voltage characteristics and thermally stimulated conductivity. The dependence of electrical parameters of hybrid films on their composition has been found. The analysis of the temperature dependences of the composites conductivity in the temperature range of 80-330 К indicates the activation character of charge transfer and presence the trapping of unequilibrium carriers at the porous silicon and ZnO nanoparticle – polymer interface

Полімерні чутливі елементи для газових сенсорів аміаку

The influence of ammonia on the optical absorption spectra of thin films of polyaniline (PANI), poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT), mixtures thereof, and the bilayer film structures based on PANI and PEDOT obtained by electrochemical method were studied. The kinetics of changes in the optical absorption of these structures under the action of ammonia was explored in the spectral range of 350 ... 900 nm. We proved that the thin-film structure of PANI / PEDOT significantly extends the spectral range of sensitivity to ammonia of individual PANI n PEDOT films by superposition of high gas sensitivity of PANI and PEDOT films in the range of wavelength of 500 ... 700 nm and 350... 550 nm respectively. It was shown that the area under the spectra of change of the optical absorption of thin-film structure of PANI / PEDOT is in 1.45 times larger than the area of the same for individual components of the layers, which is the key to increasing the sensitivity of the gas sensors. The results can be used to optimize ammonia gas sensors for monitoring biotechnological processes in food industry and the environment.Исследовано влияние аммиака на спектры оптического поглощения тонких пленок полианилина (PANI), поли-3,4-етилендиокситиофена (PEDOT), их смесей, а также пленочных структур на их основе, полученных электрохимическим методом. Изучена кинетика изменений оптического поглощения исследуемых структур под действием аммиака в спектральном диапазоне 350 ... 900 нм. Доказано, что тонкопленочные структуры PANI / PЕDOT существенно расширяют спектральную область чувствительности к аммиаку отдельно взятых пленок за счет суперпозиции высокой газочутливости пленок PANI и PЕDOT в областях длин волн 500 ... 700 нм и 350 ... 550 нм соответственно. Показано, что площадь под спектрами изменений оптического поглощения для тонкопленочной структуры PANI / PЕDOT в 1,45 раз більше за аналогичную площадь отдельных составляющих слоев, что является залогом увеличения чувствительности газовых сенсоров. Полученные результаты могут быть использованы для оптимизации газовых сенсоров аммиака для мониторинга биотехнологических процессов пищевой промышленности и состояния окружающей среды.Досліджено вплив аміаку на спектри оптичного поглинання тонких плівок поліаніліну (PANI), полі-3,4-етилендіоксітіофену (PEDOT), їх сумішей, а також плівкових структур на їх основі, отриманих електрохімічним методом. Вивчено кінетику змін оптичного поглинання досліджуваних структур під дією аміаку в спектральному діапазоні 350…900 нм. Доказано, що тонкоплівкові структури PANI/PЕDOT суттєво розширюють спектральну область чутливості до аміаку окремо взятих плівок за рахунок суперпозиції високої газочутливості плівок PANI і PЕDOT в областях довжин хвиль 500…700 нм і 350…550 нм відповідно. Показано, що площа під спектрами змін оптичного поглинання для тонкоплівкової структури PANI/PЕDOT в 1,45 раз більша за аналогічну площу окремих складових шарів, що є запорукою збільшення чутливості газових сенсорів. Отримані результати можуть бути використані для оптимізації газових сенсорів аміаку для моніторингу біотехнологічних процесів харчової промисловості та стану довкілля

Перколяційні явища в полімерних композитах з електропровідними полімерними наповнювачами

The electrical properties of polymer nanocomposites based on dielectric polymer matrices of different types and electrically conductive polymer fillers – polyortotoluidine, polyorthoanisidine and polyaniline have been studied. It is shown that the concentration dependence of the specific conductivity on the content of fillers has a percolation character with a low “percolation threshold”, which depends on the nature of the polymer matrix and polyaminoarene and is 1.7-10.0 vol.%. The calculated critical parameters of electroconductivity are characteristic of the formation of an infinite 3-dimensional cluster of conductivity and indicate a significant influence of the nature of the components and morphology of the material on the charge transfer processes in such systems.Вивчено електричні властивості полімерних нанокомпозитів на основі діелектричних полімерних матриць різного типу і електропровідних полімерних наповнювачів – поліортотолуїдину, поліортоанізидину та поліаніліну. Показано, що концентраційна залежність питомої електропровідності від вмісту наповнювачів має перколяційний характер з „порогом перколяції”, який залежить від природи полімерної матриці та поліаміноарену і становить 1,7-10,0 об.%. Розраховані критичні параметри електропровідності характерні для утворення нескінченного 3-х вимірного кластера провідності і свідчать про суттєвий вплив природи компонентів та морфології матеріалу на процеси перенесення заряду в таких системах

Особливості структури та фізико-хімічних властивостей поліортотолуїдину легованого толуенсульфо кислотою

Features of crystal structure, electrical conductivity and thermal stability of poly-ortho-toluidine (PoTi) samples, obtained with method of oxidative polymerization in the environment of sulfuric and toluenesulfonic acids (TSA), were investigated. It was discovered that PoTi-TSA samples are characterized withhigh crystallinity. According to the physico-chemical analysis, doping samples with TSA causes increase of PoTi thermal stability, electrical conductivity and sensor sensitivity on the contrary to samples doped with sulfuric acid. Based on temperature dependence of specific resistance, were calculated the values of the conductivity activation energy, which are within the limits of 0.2-0.4 eV depending on the type of dopant.Досліджено особливості кристалічної структури, електропровідності і термічної стабільності поліортотолуїдину (ПоТі), отриманого методом окисної полімеризації в середовищі сульфатної та толуенсульфокислоти (ТСК). Встановлено, що для зразків ПоТі-ТСК характерна висока кристалічність. За даними фізико-хімічних досліджень, легування зразків толуенсульфокислотою спричиняє збільшення термічної стабільності, електропровідності і сенсорної чутливості ПоТі в порівнянні з сульфатно-легованими зразками. На основі температурної залежності питомого опору розраховані значення енергії активації провідності, які лежать в межах 0,2 - 0,4 еВ в залежності від типу допанта

Preparation and Properties of Hybrid Poly(3,4-ethylenedioxythiophene)–Carbon Nanotubes Composites

It was investigated the infrared spectra of the hybrid composites poly(3,4-ethylenedioxythiophene)–carbon nanotubes in the 400÷4000 cm-1 range. The current-voltage characteristics of the obtained materials have been studied. It is shown that increasing the content of carbon nanotubes in the composite leads to decrease of the resistance of hybrid films. It was investigated the temperature dependence of the electrical conductivity of hybrid nanocomposites in the 80–330 K range. A possible mechanism of charge transfer processes in hybrid composites of poly(3,4-ethylenedioxythiophene)–carbon nanotubes is proposed

Thin-film heterostructures based on conducting polymers and organic semiconductors

We have carried out the experimental verification of a possibility to produce organic heterostructures by using films of organic semiconductors (OS) which are photosensitive in a wide spectral region, absorb light, and generate charge carriers in the region of transparency of films of conducting polymers – electrochemically synthesized polyaniline (PAN) and poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT) stabilized by polystyrenesulfone acid (PSS). As components for the fabrication of these heterostuctures, we chose photosensitive organic semiconductors of the n-type, N,N`- dimethyl-3,4,9,10-perylenetetracarboxydiimide (МРР), and of the р-type, pentacene (Pn), which were thermally sprayed on thin layers of PAN and PEDOT. The photovoltage of heterostuctures produced at the temperature of substrates 370 K is several times greater than that of components, reaches its maximum in the region of strong light absorption in OS layers, but is one order less in the region of strong absorption in polymers. This testifies to the appearance of an internal electric field near the polymer/OS boundary which enhances the efficiency of separation of photogenerated charge carriers, whereas the efficiency inherent to photogeneration of carriers in the layers with PAN and PEDOT-PSS is insufficient yet

CЕНСОРНІ ВЛАСТИВОСТІ ПЛІВОК ПОЛІАНІЛІНУ, ОТРИМАНИХ НА ОПТИЧНО-ПРОЗОРИХ НОСІЯХ

Detection and monitoring of gaseous ammonia in the atmosphere and industrial environments is essential in various fields of application, including monitoring of the food freshness. The sensing element of devices are made largely from inorganic substances, including films of toxic and deficient semiconductors. Currently a large variety of devices are available to detect ammonia, but most of them are expensive and complex to manufacture and use, which causes the search of simpler and cheaper method of manufacturing such sensors. The article is devoted to developing of the sensitive elements of devices based on thin films of conducting polymer – polyaniline (PAN), which attracted considerable attention due to the simple synthesis, low cost, sensitivity to various gases at room temperature. The changes in optical properties of PAN films, caused by interaction with molecules of gaseous ammonia, were studied to identify and establish the gas content in the environment. It is shown that the proposed method of forming the gas sensitive films by chemical deposition of PAN on the surface of optically transparent materials (glass, tin oxide, polymethylmethacrylate) provides high sensitivity to ammonia, which is manifested in the shift of the transmittance band and reducing its intensity. Time of adsorption–desorption equilibrium is 30–60 s, confirming the performance of the optical response of obtained films.  Выявление и мониторинг газообразного аммиака в атмосфере и промышленных средах необходимо в различных областях применения, в том числе для контроля свежести пищевых продуктов. Чувствительные элементы сенсорных устройств изготавливают преимущественно на основе неорганических веществ, в частности пленок токсичных и дефицитных полупроводников. В настоящее время существует множество устройств для обнаружения аммиака, однако большинство из них являются дорогостоящими и сложными в производстве и применении, что обусловливает поиски более простого и дешевого способа изготовления таких датчиков.Статья посвящена разработке чувствительных элементов сенсорных устройств на основе тонких пленок электропроводящего полимера – полианилина (ПАН), привлекающего большое внимание благодаря несложному синтезу, низкой стоимости, чувствительности к различным газам при комнатной температуре. Изменение оптических свойств пленок ПАН в результате взаимодействия с молекулами газообразного аммиака изучали для выявления и определения содержания газа в окружающей среде. Показано, что предложенный метод формирования газочувствительных пленок путем химического осаждения ПАН на поверхности оптически прозрачных материалов (стекло, станум оксид, полиметилметакрилат) обеспечивает высокую чувствительность к аммиаку, что проявляется в смещении полосы пропускания и уменьшении ее интенсивности. Время установки адсорбционно–десорбционного равновесия составляет 30–60 с, что подтверждает быстродействие оптического отклика полученных пленок.Виявлення і моніторинг газоподібного аміаку в атмосфері та промислових середовищах є необхідним у різних галузях застосування, в тому числі для контролю свіжості харчових продуктів. Чутливі елементи сенсорних пристроїв виготовляють переважно на основі неорганічних речовин, зокрема плівок токсичних і дефіцитних напівпровідників. На даний час доступна велика кількість різноманітних пристроїв для виявлення аміаку, проте більшість з них є дорогими та складними у виробництві і застосуванні, що зумовлює пошуки простішого та дешевшого способу виготовлення таких датчиків. Стаття присвячена розробці чутливих елементів сенсорних пристроїв на основі тонких плівок електропровідного полімеру – поліаніліну (ПАН), що привертає значну увагу завдяки нескладному синтезу, низькій вартості, чутливості до різних газів при кімнатній температурі. Зміну оптичних властивостей плівок ПАН внаслідок взаємодії з молекулами газоподібного аміаку вивчали для виявлення та встановлення вмісту газу у навколишньому середовищі. Показано, що запропонований метод формування газочутливих плівок шляхом хімічного осадження ПАН на поверхні оптично–прозорих матеріалів (скло, станум оксид, поліметилметакрилат) забезпечує високу чутливість до аміаку, що проявляється у зсуві смуги пропускання і зменшенні її інтенсивності. Час встановлення адсорбційно–десорбційної рівноваги становить 30–60 с, що підтверджує швидкодію оптичного відгуку отриманих плівок. &nbsp

Cathodoluminescence characterization of polystyrene-BaZrO₃ hybrid composites

The radiation properties and the electronic structure of hybrid composites based on suspension polystyrene (PS) and nanocrystals of BaZrO₃ (BZO) ( d < 50 nm) have been studied using luminescent spectroscopy and x-ray analysis. A strong cathodoluminescence (CL) in BZO-nanocrystals is observed in temperature range 80–293 K. It is modified in BZO-PS composites: both the low- and a high-energy bands (near 4 eV) appear, together with a significant reduction in the CL intensity. A decrease of the lattice parameter a for BZO phase in the composite and the modification of CL spectra indicate for changes in the nanocrystalline structure induced by the polymer

Charge transport in electrochromic films of poly-orfho-toluidine

Optical and electrochemical properties of poly-ortho-toluidine films on SnO2 electrodes have been studied in acid electrolytes. The electrochemical oxidation-reduction of films has been found to be accompanied by reversible electrochromic changes (colorless-yellow-blue-green-violet) in potential range of E from -0.3 to 1.2 V (Ag/AgCI). The effective diffusion coefficient Def for charge transfer across the film and transition time of diffusion td have been calculated.Изучены оптические и электрохимические свойства пленок поли-орто-толуидина на поверхности SnO2 электродов в кислотных электролитах. Электрохимиче-ское окисление-восстановление пленкок сопровождается обратимыми изменениями цвета от полностью прозрачного до желтого, синего, зеленого и фиолетового в области потенциалов E = -0,3...1,2 В (Ag/AgCI). Рассчитаны значения эффективного коэффициента диффузии Dei и характеристического времени для процесса переноса заряда через пленку.Вивчено оптичні та електрохімічні властивості плівок полі-орто-толуїдину на повєрхні SnO2 електродів у кислотних електролітах. Знайдено, що реакції окислен-ня-відновлення у плівках супроводжуються оборотними змінами кольору від повністю прозорого до жовтого, синього, зеленого і фіолетового в області потенціалів E = -0,3....1,2 В (Ag/AgCI). Розраховано значення ефективного коефіцієнта дифузії De, та характеристичного часу Т' для процесу переносу заряду через плівку

Tемпературная зависимость проводимости сопряженных полимеров, легированых карбоновыми нанотрубками

The structure and temperature dependence of conductivity in conjugated polymers - polyaniline and poly-3,4-ethylenedioxythiophene doped by multiwall carbon nanotubes (MWCNT) with their content near percolation threshold were studied. It was found that temperature dependence of specific volume resistance follows by activation low and is linear in lnρ-1/T coordinates in the temperature interval of 273- 403 K. Introduction of carbon nanotubes in concentration near percolation threshold (0.13-0.64%) leads to increase of conductivity in polymer nanocomposites in 4.4-9.5 times. Simultaneously the activation energy of charge transport increasing for conjugated polymers-MWCNT nanocomposites comparatively with initial polymers. According to X-ray powder diffraction a process of polymer doping by MWCNT leads to increasing polymer crystalline level in result of formation the ordered “domains” in the amorphous polymer matrix. This structural streamlining leads to an increase of the energy required overcoming areas of amorphous phase and charge carriers are localized in the areas of crystallinity.Досліджено структуру і температурну залежність провідності спряжених полімерів – поліаніліну і полі-3,4-етилендіокситіофену, легованих багатостінними карбоновими нанотрубками (БСКНТ) з їхнім вмістом близьким до порогу перколяції. Встановлено, що температурна залежність питомого опору підпорядковується активаційному закону і спрямляється в координатах lnρ - 1/T в інтервалі темпера тур 273-403 K. Додавання карбонових нанотрубок концентрацією в області порогу перколяції (0.13- 0.64%) спричиняє зростання провідності полімерного нанокомпозиту в 4.4-9.5 рази. Разом з тим енергія активації переносу заряду в нанокомпозитах спряжений полімер – БСКНТ є більшою порівняно з вихідним полімером. Згідно даних Х-променевої порошкової дифрактометрії процес легування полімерів БСКНТ спричиняє збільшення рівня кристалічності в результаті формування упорядкованих «доменів» в аморфній полімерній матриці. Таке структурне впорядкування приводить до збільшення енергії, необхідної для подолання ділянок аморфної фази і локалізації носіїв заряду в областях кристалічності.Исследованы структура и температурная зависимость проводимости сопряженных полимеров – полианилина и поли-3,4-этилендиокситиофена, легированованых многослойными карбоновыми нанотрубками (МСКНТ) с содержанием, близким к порогу перколяции. Установлено, что температурная зависимость удельного сопротивления подлежит активационному закону и спрямляется в координатах lnρ - 1/T в интервале температур 273-403 K. Введение карбоновых нанотрубок при концентрации, близкой к порогу перколяции (0.13-0.64%) приводит к росту проводимости полимерного нанокомпозита в 4.4-9.5 раз. Вместе с тем энергия активации переноса заряда в нанокомпозитах сопряженный полимер - МСКНТ имеет большее значение по сравнению с исходным полимером. Согласно данным рентгеновской порошковой дифракции процесс легирования полимера МСКНТ приводит к увеличению уровня кристалличности в результате формирования упорядоченных «доменов» в аморфной полимерной матрице. Такое структурное упорядочение приводит к увеличению энергии, необходимой для преодоления участков аморфной фазы и локализации носителей заряда в областях кристалличности