Materiale electrotehnice noi

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2010-2011, master IPE, anul I Prof.dr.ing.Florin Ciuprina

Materiale electrotehnice noi

Conductori organici si

nanotuburi de carbon

Facultatea de Inginerie Electrica, Materiale electrotehnice noi, 2010-2011, master IPE, anul I

Conductori organici

Structura disciplineiCapitolul Conţinutul

1 Fenomene in materialele electrotehnice1.1. Conductia electrica1.2. Polarizarea electrica1.3. Magnetizarea materialelor1.4. Pierderi in materialele electrotehnice

2 Materiale conductoare noi2.1. Materiale conductoare clasice2.2. Materiale supraconductoare2.3. Conductori organici si nanotuburi de carbon2.4. Materiale pentru realizarea de memristori2.5. Aplicatii moderne ale materialelor conductoare

3 Materiale semiconductoare noi3.1. Materiale semiconductoare clasice3.2. Polimeri semiconductori3.3. Materiale semiconductoare nanostructurate3.4. Aplicatii moderne (celule solare, microprocesoare de inalta frecventa, ecrane TV, laseri)

4 Materiale dielectrice noi4.1. Evolutia materialelor dielectrice4.2. Straturi subtiri4.3. Nanodielectrici4.4. Oxizi metalici4.5. Aplicatii

5 Materiale magnetice noi5.1. Evolutia materialelor magnetice5.2. Materiale magnetice amorfe5.3. Materiale magnetice nanostructurate (nanocristaline, organice)5.4. Fire si filme subtiri din materiale magnetice5.5. Aplicatii moderne (miezuri magnetice, memorii, hard-discuri, carduri magnetice)


Conductori organici

Conductori organici

Polimeri conductori

Conductori moleculari


Conductori organici

Polimeri conductori

Polimerii inainte de anii ’70: ieftini, rezistenta mecanica foarte buna, flexibili izolatori electrici (σ < 10-7 S/m)


Conductori organici

Polimeri conductori

Polimerii dupa anii ’70: ieftini, rezistenta mecanica foarte buna, flexibili izolatori electrici (σ < 10-7 S/m) prin dopare unii polimeri pot deveni conductori

sau semiconductori.


Conductori organici

Polimeri conductori1977 Alan Heeger, Alan G. MacDiarmid si Hideki Shirakawa

au descoperit ca prin oxidarea cu clor, brom sau iod, filme de poliacetilena deveneau de 109 ori mai conductoare decat in starea initiala. Acest tratament cu halogeni a fost numit dopare, prin analogie cu doparea semiconductorilor. Poliacetilena dopata avea o conductivitate de 105 S/m (fata de 10-16 S/m cat este conductivitatea teflonului sau de 108 S/m cat este conductivitatea cuprului sau a argintului).

poliacetilena →

2000 Alan J. Heeger, Alan G. MacDiarmid si Hideki

Shirakawa au fost recompensati cu premiul Nobel pentru chimie in anul 2000 pentru descoperirea si dezvoltarea polimerilor conductori.

Alan Heeger(1936-)

fizician american

Alan G. MacDiarmid (1927 - 2007)

chimist american

Hideki Shirakawa (1936 -)

chimist japonez


Conductori organici

Polimeri conductoriConditii de obtinere:

Polimer realizat prin alternarea de legaturi simple si legaturi duble (conjugate) = polimer conjugat

Perturbarea polimerului conjugat prin dopare: extragere de electroni (oxidare)

dopanti acceptori (tip p): I2, PF6, BF6, Cl, AsF6

introducere de electroni (reducere) dopanti donori (tip n): Na, K, Li, Ca


Conductori organici

Polimeri conductoriStructuri uzuale:

Polyethylenedioxythiophene

(PEDOT)

Polyphenylene vinylene

(PPV)

Polydialkylfluorene


Conductori organici

Polimeri conductoriConductia electrica: deplasarea intramoleculara a cvasi-particulelor (solitoni,

polaroni, bipolaroni) create prin dopare transferul intermolecular al sarcinilor electrice prin

“intersoliton hopping”


Conductori organici


polaroni, bipolaroni) create prin dopare


Conductori organici



Formarea si deplasarea unui polaron in poliacetilena


Conductori organici




Conductori organici




Intersoliton hopping: solitoni incarcati su sarcina (jos) sunt fixati de catre ionii dopantului, in timp ce solitonii neutri (sus) se misca liber. Un soliton neutru de pe un lant apropiat de un lant cu un soliton incarcat cu sarcina pot interactiona si electronul solitonului neutru sare dintr-un defect in altul.


Conductori organici

Polimeri conductoriControlul dopajului:


Conductori organici

Polimeri conductoriVariatia conductivitatii cu temperatura:


Conductori organici

Polimeri conductoriAplicatii

Bariere in calea comercializarii

Stabilitatea in aer si problemele de procesare sunt principalele bariere care au franat comercializarea polimerilor conductori.

Poliacetilena dopata ramane polimerul conductor cel mai cristalin si cu conductivitatea cea mai mare (foarte apropiata de a cuprului), insa este foarte reactiv in contact cu oxigenul si umiditatea ceea ce conduce la scaderea rapida si ireversibila a conductivitatii in atmosfera.

Alti polimeri conductori (polipirol, politiofen, polianilina, polifenilen-vinilen, etc), desi au conductivitate mai mica decat poliacetilena (< 104 S/m), au stabilitate multa mai mare in aer, motiv pentru care sunt preferati in aplicatii.

Dificultatile de procesare ale primilor polimeri conductori au fost depasite. Astazi numerosi polimeri conductori pot chiar sa fie amestecati cu polimeri termoplastici traditionali (polietilena, PCV) pentru realizarea de materiale partial conductoare.


Conductori organici

Polimeri conductori

Aplicatii trans-

Poliacetilena:

cis-

baterii reincarcabile pentru confectionarea electrozilor (anod si catod).

are potential mare pentru aplicatii din optoelectronica


Conductori organici


Politiofen:

tranzistoare cu efect de camp (FET);

ECD (electrochromic displays) pentru afisaje in aeroporturi sau gari, ceasuri, calculatoare, etc.

Doparea politiofenului conduce la schimbarea culorii (dopat – rosu, nedopat – albastru), intervalul de comutare dopat/nedopat ajunge la 30 ms, iar stabilitatea depaseste 1 milion cicluri (aprox. 2 ani de operare la o frecventa de 1 ciclu/min).


Conductori organici


Polipirol :

A fost testat pentru realizarea de straturi de acoperire pentru ecrane “absorbante” de microunde (radar invizibil) sau pentru diferiti senzori.

Polipirolul si polianilina sunt utilizati pentru dezvoltarea de muschi artificiali pentru roboti.


Conductori organici


Polianilina:

conductor pentru ecranare electromagnetica. invelisuri antistatice sau cu rol de inhibitor al coroziunii. baterii de tip moneda avand un electrod din polianilina

iar celalalt dintr-un aliaj litiu-aluminiu (Corporatia Bridgeston, Japonia) . Caracteristici ale acestor baterii: auto descarcare foarte lenta, tensiune mare, durata de viata foarte mare posibilitatea de a le utiliza ca sursa de energie in

combinatie cu celule solare (foarte utile pentru telecomenzi, ceasuri, calculatoare, unitatati audio-vizuale, etc)


Conductori organici


Polietilendioxitiofen (PEDOT):

invelisuri antistatice fabricarea de LED-uri


Conductori organici


Polifenilen-vinilen (PPV):

straturi active pentru LED-uri flexibile utilizate pentru ecrane electroluminescente (telefoane mobile, televizoare, etc).


Conductori organici


Polidialkil-fluoren:

straturi emitatoare in ecrane matriceale “full-colour”.


Conductori organici

Polimeri conductori

Alte aplicatii posibile:

“ferestre inteligente” care absorb lumina soarelui vara;

senzori de gaze;

transportul medicamentelor in corpul uman;

procesul de litografiere pentru fabricarea circuitelor integrate.


Conductori organici

Conductori organici

Polimeri conductori



Conductori organici


Cristale moleculare formate din compounduri cu transfer de sarcina intre o componenta de tip donor si una de tip acceptor;

Tipuri: ambele componente molecule organice o componenta molecula organica, iar cealalta componenta ion

anorganic


Conductori organici

Conductori moleculariCompounduri cu transfer de sarcina cu ambele componente molecule organice

TTF-TCNQ =primul conductor molecular (1973) si cel mai reprezentativ

TTF = tetrathiafulvaleneTCNQ = tetracyanoquinodimethane


Conductori organici

Conductori moleculariCompounduri cu transfer de sarcina cu ambele componente molecule organice

TTF-TCNQ: Transfer de sarcina TTF-HOMO → TCNQ-LUMO = 0.6 electroni

HOMO - highest occupied molecular orbital LUMO - lowest unoccupied molecular orbital


Conductori organici

Conductori moleculariCompounduri cu transfer de sarcina cu ambele componente molecule

organice

TTF-TCNQ: Variatia conductivitatii cu temperatura:

A...D -conductivitatea masurata in curent continuu (cu metoda celor patru sonde) pe patru esantioane diferite;

E - conductivitatea masurata la frecventa de microunde (9.5 GHz) pe esantionul D.

In toate cazurile curentul a fost in directia stivei (axa b)

Conductivitatile dc la temperatura camerei (T = 300 K): 1…4·104 S/m,

Conductivitatile la frecvente de microunde la T = 300 K:1.7 … 3 · 104 S/m

TTF-TCNQ: conductor pentru T > 54 K semiconductor pentru T < 54 K


Conductori organici

Conductori moleculariCompounduri cu transfer de sarcina cu ambele componente molecule

organice

TTF-TCNQ: Variatia conductivitatii cu presiunea


Conductori organici

Conductori moleculariCompounduri cu transfer de sarcina cu o componenta molecula organica si cealalta componenta ion

anorganic

Saruri Bechgaard:

(TMTTF)2X sau (TMTSF)2X,

TMTTF = tetramethyltetrathiafulvalene

TMTSF = tetramethyltetraselenafulvalene

X = anion monovalent anorganic: PF6, ClO4, etc.

Klaus Bechgaard (1945-)chimist danez


Conductori organici

Conductori moleculariCompounduri cu transfer de sarcina cu o componenta molecula organica si cealalta componenta ion

anorganic

(TMTSF)2PF6 supus unei

presiuni de 0.65 GPa si Tc = 1.2 K a fost primul supraconductor organic (1980)


Conductori organici


Aplicatii

Compoundurile cu transfer de sarcina: prezinta o comutare bistabila intre starea de izolator (“OFF”) si

starea de conductor (“ON”) sub actiunea unui camp electric intens

prezinta interes ridicat pentru electronica moleculara: tranzistoare TFT diode, tiristoare memorii non-volatile tranzistoare FET realizate din monocristale de DBTTF-TCNQ


Conductori organici

Nanotuburi de carbon sunt stari alotropice ale carbonului avand o

nanostructura cilindrica; fac parte din familia fulerenelor, care mai include stari

alotropice ale carbonului cu structura sferica “buckyballs”

au fost descoperite in 1991 in urma unei descarcari a unui arc electric produs de un curent de 100 A pe un electrod de grafit (aceasta metoda este cea mai larg utilizata pentru sinteza nanotuburilor de carbon).

pot fi intr-un singur strat (SWNT) sau in mai multe straturi (MWNT)


Conductori organici

Nanotuburi de carbon sunt de aproximativ 50.000 ori mai subtiri

decat un fir de par (grosimea e mai mica de 0,4 nm).

prezinta un raport lungime/diametru de pana la 28.000.000 ori.

exista in diferite structuri geometrice: zig-zag, fotoliu, chiralic.


Conductori organici

Nanotuburi de carbon

pot fi atat semiconductori cat si conductori, in functie de tipul geometric, dar si de alti factori;

fibre SWNT pot prezenta conductivitate electrice la fel de mare ca a cuprului, conductivitate termica la fel de mare ca a diamantului, rezistenta mecanica de 100 ori mai mare ca a otelului (la o greutate de 6 ori mai mica).

pot transporta curenti de 4 × 109 A/cm2, adica de aprox. 1000 ori mai mult decat cuprul.

unele studii evidentiaza toxicitatea ridicata a nanotuburilor de carbon.


Conductori organici

Nanotuburi de carbonAplicatii

nanofire conductoare pentru interconexiuni in dispozitive electronice

tranzistoare cu comutatie realizata de un singur electron ecrane pentru TV, calculatoare, telefoane mobile baterii (sub forma de foi de celuloza armate cu nanotuburi de

carbon) celule solare NEMS (nano-electromechanical systems)

Materiale electrotehnice noi

Documents

Transcript of Materiale electrotehnice noi