Comparing Study for PEDOT:PSS/Graphene and PEDOT:PSS/Graphene with Isopropyl Alcohol Nanocomposite Thin Films by Spin Coating Technique

الموضوعات

علوم تطبيقية وتكنولوجية

الملخص

A low-cost, long-wavelength optical sensor has been manufactured using Spin Coating technology on a glass substrate. The sensor consists of a polymeric nanocomposite composed of PEDOT:PSS polymer, in addition to nano-graphene in different weight ratios (0.5, 1, 1.5, 2).Also, Isopropyl Alcohol )IPA(was added as a dispersant to improve the diffusion of graphene nano-filler within the main phase of the complex and it was compared with the initial compound (PEDOT:PSS/Graphene)To ensure good adhesion between the glass substrate and the components of the nanocomposite, the surface of the substrate was prepared according to international contexts and chemically etched using Piranha solution consisting of hydrogen peroxide (H2O2)and concentrated sulfuric acid (H2SO4). Roughness and Wettability tests were carried out before and after the etching of the prepared substrates.The optical method was adopted to measure the thickness of the prepared films and to ensure that all the prepared films were of equal thickness.A zeta potential test was conducted to ascertain the role of the proposed dispersant material (IPA) to increase the diffusion of the nano-graphene filler, as this dispersant material was used for the first time with nano-graphene and it was proposed to overcome the problem of graphene deposition after a few hours of preparing the suspension, which was Do not use the same suspension the next day of laboratory work.Infrared spectroscopy (FTIR) was employed to determine the type of bonding between the components and to suggest a model for the bonding,while the X-ray diffraction (XRD) technique was used to study crystalline variables.The effect of the nano-filler on thermal transitions was monitored using a differential scanning calorimeter (DSC), and scanning electron microscopy (SEM) and atomic forces (AFM) studied the morphological properties. As for the optical properties, they were studied by UV-Vis spectroscopy. Visible spectrometer The electrical conductivity was measured by DC Keithley device, while wettability was studied according to the principle of contact angle. The results confirmed the success of the surface preparation and chemical etching processes in changing the topography and surface roughness of the substrate, in a way that ensures efficient adhesion of it with the nanocomposite. It was also found that the method of rotary coating used has the ability to produce films of close thickness. It was 245 ± 5 nm. The results also showed the ability of the proposed dispersant material (IPA) to bring about the desired change in preventing the deposition of graphene nano-filler and increasing the stability of the suspension from good stability to excellent stability, as the zeta potential changed from -48.04 to -168.38 Millivolts as well as mobility changed from -2.27 to -/ (V/cm) 1.6 (μ/s).The results of infrared spectroscopy showed that no chemical reaction occurred between the components of the compound, and only the occurrence of hydrogen bonding's, and accordingly a model of the attraction between the components was proposed, which is achieved in three steps. A new bonding occurs between the oxygen (which is present at 1% in the graphene sheets) with the hydrogen available in the polymer, thus increasing the surface activity of the graphene (it has hydroxyl groups), which qualifies it to bond with the available water.The addition of graphene caused noticeable effects on the crystallinity, as it transformed the semi-crystalline structure of the pure polymer into a crystalline structure. At position 2Ɵ= 550. The increase in crystallinity was enhanced by accompanying calculations such as the crystallite size according to the Scherrer equation, which increased from 0.1 to 2.8487 nanometers, and the scattering function, which increased from 0.25783 to 0.29921. The addition of graphene also caused an increase in the degree of glass transition (Tg) by 35% and a shift from the hydrophilic nature to the hydrophobic nature, as the contact angle changed from 74.6450 to 136.6240.The results of the AFM showed an increase in the roughness coefficients, as the average roughness (Sa) increased by about 92% and the density of the peaks (Sds) by 45%. These results matched with the SEM images, which showed that the PEDOT:PSS films without graphene have a relatively smoother surface than the surfaces of the nanocomposites. . The fluid retention index (Sci) increased by 7.23% due to the formation of very small compartments that store fluids in the superimposed as a result of the aforementioned hydrogen bonding, in the same context. The surface bearing index (Sbi) increased by a very high (525%), which indicates the expected improvement in the mechanical specifications of the prepared films. The spectroscopy of UV-visible rays proved that the addition of graphene, (especially with IPA)an increase in the absorbance in all three regions of the spectrum (UV region, infrared region, and visible region) and the increase is at its peak in the UV region, which indicates the possibility of the prepared sensor resisting deterioration. Ultraviolet radiation (because it will absorb it and dissipate it inside it in the form of a slight heat) and its ability to work within a long wavelength that includes the three regions. The spectroscopy itself proved that the band gab energy decreased, especially after the addition of the dispersant material, and that the gap values are within the working range of the sensors. This spectrometry also showed clear changes in the excitation and damping coefficients and the dielectric constant. The electrical conductivity measurements showed a significant increase by adding Nano graphene

روابط وملفات

التعريف والنوع

رقم الوثيقة

0a5fa44a-1214-4250-8606-9ff731e2193a

رقم العقد

0

نوع الوسائط

Crawler

نوع المحتوى

الرسائل العلمية

صيغة المصدر

رسائل ماجيستير

نوع الملف

pdf text

أسماء الملفات

995960_1.pdf

بيانات النشر

ترجمة العنوان

دراسة مقارنة بين الافلام الرقيقة للمركبات النانوية لPEDOT:PSS-Graphene) ( و(PEDOT:PSS/Graphene with Isopropy lalcohol بتقنية الطاء بالدوران

ألقاب المؤلفين

[{"name_ar":"سرى كامل جبر زامل","title_ar":"اعداد","title_en":"Preparation"},{"name_ar":"علي صلاح حسن","title_ar":"اشراف","title_en":"Supervision"},{"name_ar":"عودة جبار بريهي","title_ar":"اشراف","title_en":"Supervision"}]

اللغة

English

المصدر والدورية

اسم المصدر

Comparing Study for PEDOT:PSS/Graphene and PEDOT:PSS/Graphene with Isopropyl Alcohol Nanocomposite Thin Films by Spin Coating Technique

المحتوى والصفحات

عدد الصفحات

0

ترجمة الملخص

تم تصنيع متحسس ضوئي قليل الكلفة ويعمل بطول موجي طويل بتقنية الطلاء الدوراني (Spin Coating) وعلى ركيزة زجاجية (Glass substrate). يتكون المتحسس من متراكب بوليمري نانوي مكون من بوليمر PEDOT:PSS مضافًا إليه الكرافين النانوي (Nano Graphene) بنسب وزنية مختلفة (0.5, 1, 1.5, 2). كما أضيف كحول الأيزوبروبيل (Isopropyl Alcohol; IPA) كمادة مشتتة (Surfactant) لتحسين انتشارية مالئ الكرافين النانوي ضمن الطور الرئيسي للمتراكب، وتمت مقارنتها مع المركب الأولي. لضمان التلاصق الجيد بين الركيزة الزجاجية ومكونات المتراكب النانوي، فقد تم تهيئة سطح الركيزة وفق السياقات العالمية كما وتم تحفيرها كيميائيًا (Chemical Etching) باستخدام محلول Piranha المكون من بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) وحامض الكبريتيك المركز (H₂SO₄). للتأكد من نجاح عملية التحفير، فقد تم إجراء فحوصات الخشونة (Roughness) وقابلية التبلل (Wettability) قبل وبعد عملية تحفير الركائز المحضرة. اعتمدت الطريقة البصرية لقياس سمك الأغشية المحضرة، وللتأكد من أن كافة الأفلام المحضرة ذات سمك متساوٍ (Even Thickness) أُجري اختبار جهد زيتا (Zeta Potential Test) للتأكد من دور المادة المشتتة المقترحة (IPA) في زيادة انتشارية مالئ الكرافين النانوي، إذ تُستخدم هذه المادة المشتتة لأول مرة مع الكرافين النانوي، وقد تم اقتراحها للتغلب على مشكلة ترسب الكرافين بعد بضعة ساعات من تحضير العالق، مما كان يحول دون استخدام العالق ذاته في اليوم التالي من العمل المختبري. وُظفت مطيافية الأشعة تحت الحمراء (FTIR) لتحديد نوع الترابط بين المكونات ولاقتراح نموذج للترابط (إن وجد)، فيما استخدمت تقنية حيود الأشعة السينية (XRD) لدراسة المتغيرات البلورية. تم رصد تأثير المالئ النانوي على التحولات الحرارية (Thermal Transitions) باستخدام مسعر المسح التفاضلي (DSC)، كما تم دراسة الخواص المورفولوجية بمجهري المسح الإلكتروني (SEM) والقوى الذرية (AFM). أما الخواص البصرية فقد درست بمطيافية الأشعة المرئية فوق البنفسجية (UV-Visible spectrometer). قيسَت التوصيلية الكهربائية بجهاز (DC Keithley)، فيما درست قابلية التبلل (Contact Angle; Wettability) وفق مبدأ زاوية التلامس. أكدت النتائج نجاح عمليتي التهيئة السطحية والتحفير الكيميائي في تغيير طوبغرافية وخشونة سطح الركيزة وبما يضمن تلاصقًا كفوءًا لها مع المتراكب النانوي. كما تبين أن لطريقة الطلاء الدوراني المتبعة القدرة على إنتاج أفلام بأسماك متقاربة، إذ بلغت (542 ± 2) نانومتر. بينت النتائج كذلك قدرة المادة المشتتة المقترحة (IPA) على إحداث التغيير المنشود في منع ترسب مالئ الكرافين النانوي وزيادة استقرارية العالق من حالة الاستقرارية الجيدة (Good Stability) إلى حالة الاستقرارية الممتازة (Excellent Stability)، إذ تغير جهد زيتا من -48.04 إلى -168.38 ملي فولت، كما وتغيرت التحركية (Mobility) من -1.6 إلى -2.27 (µ/s)/(V/cm). أظهرت نتائج مطيافية الأشعة تحت الحمراء عدم حدوث تفاعل كيميائي بين مكونات المتراكب والاكتفاء فقط بحدوث ترابطات هيدروجينية (Hydrogen Bonding’s)، وعليه تم اقتراح نموذج للتجاذب بين المكونات يتحقق بثلاث خطوات: إذ تنشأ في البداية أواصر هيدروجينية بين بوليمر PEDOT:PSS والماء المُجهز معه، وعندما يُضاف الكرافين يحصل ترابط جديد بين الأوكسجين (الموجود بنسبة %1 في صفائح الكرافين) مع الهيدروجين المتوفر في البوليمر، وبذلك تزداد الفعالية السطحية للكرافين (لامتلاكه لمجاميع الهيدروكسيل) مما يؤهله للترابط مع الماء المتوفر. أحدثت إضافة الكرافين تأثيرات ملحوظة على البلورية، إذ حوّلت التركيب شبه المتبلور (Semi-crystalline) للبوليمر النقي إلى تركيب متبلور، وكلما زادت نسبة المالئ ازدادت حدة نبضات التبلور وظهرت في مواقع جديدة، مما يعزز دور المالئ كعامل تنوية (Nucleating Agent)، إذ ظهرت مستويات تبلور جديدة عند الموقع 2Ɵ=5.50°. تعززت زيادة البلورية من خلال الحسابات المرافقة كحجم التبلور (Crystallite Size) الذي ازداد من 0.1 إلى 2.8487 نانومتر وفق معادلة شيرر (Scherrer equation)، ودالة الاستطارة (Scattering function) التي ازدادت من 0.25783 إلى 0.29921. كما أحدثت إضافة الكرافين زيادة في درجة الانتقال الزجاجي (Tg) بنسبة %52 وتحولًا من الوضع المحب للماء (Hydrophilic nature) إلى الطبيعة الكارهة للماء (Hydrophobic nature)، إذ تغيرت زاوية التلامس من 74.645° إلى 136.624°. أظهرت نتائج (AFM) ازدياد معاملات الخشونة، إذ ازداد متوسط الخشونة (Sa) بنحو %25 ومعامل كثافة القمم (Sds) بنسبة %42، وقد تطابقت هذه النتائج مع صور (SEM) التي أظهرت أن أفلام PEDOT:PSS بدون الكرافين لها سطح أكثر سلاسة نسبيًا من أسطح المتراكبات النانوية. زاد مؤشر الاحتفاظ بالسوائل (Sci) بنسبة %3.55 بسبب نشوء حجيرات صغيرة جدًا تخزن السوائل في المتراكب نتيجة للتأصر الهيدروجيني المذكور آنفًا. في السياق نفسه، ازداد مؤشر تحمل السطح (Surface Bearing Index; Sbi) بنسبة عالية جدًا (%252) مما يشير إلى التحسن المتوقع في المواصفات الميكانيكية للأفلام المحضرة. أثبتت مطيافية الأشعة المرئية – فوق البنفسجية أن إضافة الكرافين تزيد من الامتصاصية في كافة مناطق الطيف الثلاث (منطقة الأشعة فوق البنفسجية، منطقة الأشعة تحت الحمراء، والمنطقة المرئية) وتكون الزيادة في أوجها في منطقة الأشعة فوق البنفسجية، مما يشير إلى إمكانية المتحسس المحضر مقاومة تدهور الأشعة فوق البنفسجية (لأنه سيمتصها ويبددها داخله على شكل حرارة طفيفة)، وإمكانيته العمل ضمن طول موجي طويل يشمل المناطق الثلاث. أثبتت المطيافية ذاتها انخفاض فجوة الطاقة (Band Gap Energy) وخصوصًا بعد إضافة المادة المشتتة، وأن قيم الفجوة تقع ضمن نطاق عمل المتحسسات، كما بينت هذه المطيافية تغيرات واضحة في معاملات الإثارة والتخميد وثابت العزل (Dielectric Constant). بينت قياسات التوصيلية الكهربائية زيادة ملحوظة بإضافة الكرافين النانوي.

كلمات الباحثين

الكلمات المفتاحية بالإنجليزية: Optical sensor, Nanocomposite, PEDOT:PSS polymer, Nano graphene, Spin coating, Isopropyl alcohol, FTIR, XRD, Electrical conductivity, UV-Visible spectroscopy, Morphological properties.

إشراف وإعداد

الإشراف

علي صلاح حسن, عودة جبار بريهي

الإعداد

سرى كامل جبر زامل

الاقتباسات الببليوغرافية