基于PEDOT:PSS的纸面印刷成膜及其在电致变色器件中的应用研究

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近年来,新型有机电子器件因其成本低,材料选择性范围广等优点引起了人们的广泛关注,而电极材料是影响电子器件性能的重要因素,聚(3,4-乙烯二氧噻吩)/聚对苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)溶液因导电性、可溶液加工性、稳定性等特点具有显著的优势,但PEDOT:PSS导电率有待提高。PEDOT:PSS溶液一般在玻璃、塑料等基底上形成导电薄膜,用天然可降解的纸张作为PEDOT:PSS溶液成膜的基底材料越来越受到人们的青睐。PEDOT:PSS薄膜具有可电致变色、导电性等特点,因此既可以作为电致变色器件的变色层,又可以作为电极层。用易于加工、可大面积生产、节省成本的印刷方式实现这种电子器件功能层的制备正在成为一种趋势。针对上述现状,本文的主要研究工作如下:首先,针对PEDOT:PSS导电性低的问题,将溶剂掺杂的PEDOT:PSS溶液在不同的纸张(喷墨打印纸、硫酸纸、胶版纸、复印纸)上进行涂布,探讨纸张性能与溶剂掺杂的PEDOT:PSS薄膜导电性的关系。用醇/酸后处理的方式提高溶剂掺杂的PEDOT:PSS薄膜的导电性,探讨不同的PEDOT:PSS薄膜导电性提高的机理。结果表明,使用配方C2(PEDOT:PSS+5%DMSO+23%IPA)在平滑度高、透气性低的喷墨打印纸上涂布时,溶液的成膜性最佳,导电性最好;用丙三醇对PEDOT:PSS进行湿膜后处理时,薄膜的方阻最低,为140Ω/□;PEDOT:PSS薄膜的导电性与其晶型,分子结构和薄膜中PSS的含量有关,PEDOT:PSS薄膜的晶化程度越高,PEDOT主链结构的转变(由苯式结构向醌式结构),PEDOT:PSS薄膜中的-SO3基团的含量越少(PSS含量越少),薄膜的导电性越高。其次,考虑纸张是一种能够实现PEDOT:PSS溶液印刷成膜的基底,但纸张的多孔性、不平滑性等会对溶液的吸收和成膜造成影响。因此,本文在纸上分别构建了填充层、平滑层、阻隔层和顶部涂层四层结构,然后使用棒涂、丝网印刷和凹版印刷三种印刷方式在构建的纸张涂层纸上使PEDOT:PSS溶液成膜。不同的印刷方式所用的PEDOT:PSS溶液配方也不一样,用掺杂溶剂(DMSO,IPA,PVA,Me,EG)的方式对PEDOT:PSS溶液配方进行优化,用超景深显微镜观察不同配方的PEDOT:PSS溶液成膜的均匀程度。结果表明,构建的纸张涂层纸的功能层配方为:配方Ⅰ4(填充层),配方Ⅱ4(平滑层),配方Ⅲ11(阻隔层),配方Ⅳ3(顶部涂层);适用于棒涂、丝网印刷、凹版印刷的成膜性最佳的PEDOT:PSS溶液配方分别是PEDOT:PSS+5%DMSO+23%IPA,PEDOT:PSS:Me(1:1)+7wt%PVA,PEDOT:PSS:Me=93:7。最后,考虑到PEDOT:PSS薄膜具有导电性和电致变色性能,且电致变色器件可应用在印刷防伪领域。本文探究了基于PEDOT:PSS的纸基电致变色器件的性能,对三种印刷方式在两种纸基上制备的六个电致变色器件的启动电压、变色效果、紫外吸收和耐弯曲等性能进行分析。结果表明,用凹版印刷的方式在构建的纸张涂层纸上制备的电致变色器件具有最佳的物理参数,启动电压为0.15 V,色差为26.53,响应时间为ls,紫外吸收差为0.31,在弯曲循环1000次后色差变化约为1。
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