Электроосаждение фоточувствительных слоев на основе проводящих полимеров и фталоцианината цинка, их структура и фотоэлектрические свойства

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Фоточувствительные гибридные слои были получены методом электрохимической полимеризации пиррола и 3,4-этилендиокситиофена (EDOT) в присутствии водорастворимой натриевой соли окта(3ʹ,5ʹ-дикарбоксифенокси)фталоцианината цинка (ZnPc), содержащей 16 ионогенных карбоксилатных групп. Установлено, что процесс электроосаждения гибридных слоев наиболее эффективно идет в гальваностатическом и потенциостатическом режимах на подслое комплекса PEDOT-поликислота. Изучены электронная и химическая структура, морфология гибридных слоев полипиррола (PPy), полученных в присутствии ZnPc. Рассмотрены возможные причины того, что измеренные значения фоточувствительности и внешнего квантового выхода генерации носителей заряда в PPy-ZnPc выше в несколько раз, чем в PEDOT-ZnPc.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

О. Л. Грибкова

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: oxgribkova@gmail.com
Россия, Москва

В. А. Кабанова

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: oxgribkova@gmail.com
Россия, Москва

И. Д. Кормщиков

Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Email: oxgribkova@gmail.com
Россия, Москва

А. Р. Тамеев

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: oxgribkova@gmail.com
Россия, Москва

А. А. Некрасов

Институт физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина РАН

Email: secp@elchem.ac.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Симон, Ж., Андре, Ж.-Ж. Молекулярные полупроводники. Фотоэлектрические свойства и солнечные элементы. М.: Мир, 1988. p. 344.
  2. Gsänger, M., Bialas, D., Huang, L., Stolte, M., and Würthner, F., Organic Semiconductors based on Dyes and Color Pigments, Advanced Mater., 2016, vol. 28, no. 19, p. 3615. https://doi.org/10.1002/adma.201505440
  3. Ray, A.K., Mukherjee, D., and Sarkar, S., Phthalocyanines: A Class of Organic Photoconductive Materials, Photoconductivity and Photoconductive Mater.: Fundamentals, Techniques and Applications: Vol. 1 and 2, 2022, p. 831. https://doi.org/10.1002/9781119579182.ch21
  4. Bao, Z., Lovinger, A.J., and Dodabalapur, A., Highly ordered vacuum-deposited thin films of metallophthalocyanines and their applications in field-effect transistors, Advanced Mater., 1997, vol. 9, no. 1, p. 42. https://doi.org/10.1002/adma.19970090108
  5. Odintsova, E.G., Petrenko, V.E., Kolker, A.M., and Borovkov, N.Y., Molecular origin of structural defects in the zinc phthalocyanine film, Phys. Chem. Chem. Phys., 2022, vol. 24, no. 33, p. 19956. https://doi.org/10.1039/D2CP01221A
  6. Kabanova, V.A., Gribkova, O.L., Tameev, A.R., and Nekrasov, A.A., Hole transporting electrodeposited PEDOT-polyelectrolyte layers for perovskite solar cells, Mendeleev Commun., 2021, vol. 31, no. 4, p. 454. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2021.07.005
  7. Истакова, О.И., Конев, Д.В., Медведева, Т.О., Золотухина, Е.В., Воротынцев, М.А. Эффективность процесса электрополимеризации пиррола в различных условиях. Электрохимия. 2019. Т. 55. С. 85. https://doi.org/10.1134/S0424857018130248
  8. Qiu, Y.-J. and Reynolds, J. R., Electrochemically initiated chain polymerization of pyrrole in aqueous media, J. Polymer Sci. Part A: Polymer Chem., 1992, vol. 30, no. 7, p. 1315. https://doi.org/10.1002/pola.1992.080300709
  9. Muthuraman, G., Shim, Y.-B., Yoon, J.-H., and Won, M.-S., Simultaneous immobilization of cobalt tetrasulfonated phthalocyanine during electropolymerization of pyrrole in presence of surfactants: a study of film morphology and its conductivity, Synthetic Metals, 2005, vol. 150, no. 2, p. 165. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2005.02.002
  10. Singh, V.V., Gupta, G., Sharma, R., Boopathi, M., Pandey, P., Ganesan, K., Singh, B., Tiwari, D. C., Jain, R., and Vijayaraghavan, R., Detection of chemical warfare agent Nitrogen Mustard–1 based on conducting polymer phthalocyanine nanorod modified electrode, Synthetic Metals, 2009, vol. 159, no. 19, p. 1960. https://doi.org/10.1016/j.synthmet.2009.07.001
  11. Patois, T., Sanchez, J.B., Berger, F., Fievet, P., Segut, O., Moutarlier, V., Bouvet, M., and Lakard, B., Elaboration of ammonia gas sensors based on electrodeposited polypyrrole – Cobalt phthalocyanine hybrid films, Talanta, 2013, vol. 117, p. 45. https://doi.org/10.1016/j.talanta.2013.08.047
  12. Sizun, T., Patois, T., Bouvet, M., and Lakard, B., Microstructured electrodeposited polypyrrole-phthalocyanine hybrid material, from morphology to ammonia sensing, J. Mater. Chem., 2012, vol. 22, no. 48, p. 25246. https://doi.org/10.1039/c2jm35356c
  13. Nguyen, V.C. and Potje-Kamloth, K., Electrical and chemical sensing properties of doped polypyrrole/gold Schottky barrier diodes, Thin Solid Films, 1999, vol. 338, no. 1–2, p. 142. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(98)01060-8
  14. Nguyen, Van C. and Potje-Kamloth, K., Electrical and NOx gas sensing properties of metallophthalocyanine-doped polypyrrole/silicon heterojunctions, Thin Solid Films, 2001, vol. 392, no. 1, p. 113. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(01)00837-9
  15. Petrov, A.A., Lukyanov, D.A., Kopytko, O.A., Novoselova, J.V., Alekseeva, E. V., and Levin, O. V., Inversion of the Photogalvanic Effect of Conductive Polymers by Porphyrin Dopants, Catalysts, 2021, vol. 11, no. 6, p. 729. https://doi.org/10.3390/catal11060729
  16. Грибкова, О.Л., Кабанова, В.А., Ягодин, А.В., Аверин, А.А., Некрасов, А.А. Водорастворимый фталоцианин с ионогенными группами как молекулярная матрица для электрополимеризации 3,4-этилендиокситиофена. Электрохимия. 2022. Т. 58. С. 711. [Gribkova, O.L., Kabanova, V.A., Yagodin, A.V., et al., Water-Soluble Phthalocyanine with Ionogenic Groups as a Molecular Template for Electropolymerization of 3,4-Ethylenedioxythiophene, Russ. J. Electrochem., 2022, vol. 58, p. 957.] https://doi.org/10.1134/S1023193522110076
  17. Liu, W., Jensen, T.J., Fronczek, F.R., Hammer, R.P., Smith, K.M., and Vicente, M.G.H., Synthesis and Cellular Studies of Nonaggregated Water-Soluble Phthalocyanines, J. Medic. Chem., 2005, vol. 48, no. 4, p. 1033. https://doi.org/10.1021/jm049375b
  18. Gribkova, O.L., Kabanova, V. A., and Nekrasov, A.A., Electrodeposition of thin films of polypyrrole-polyelectrolyte complexes and their ammonia-sensing properties, J. Solid State Electrochem., 2020, vol. 24, no. 11, p. 3091. https://doi.org/10.1007/s10008-020-04766-0
  19. Kabanova, V., Gribkova, O., and Nekrasov, A., Poly(3,4-ethylenedioxythiophene) Electrosynthesis in the Presence of Mixtures of Flexible-Chain and Rigid-Chain Polyelectrolytes, Polymers, 2021, vol. 13, no. 22, p. 3866. https://doi.org/10.3390/polym13223866
  20. Lokesh, K.S. and Adriaens, A., Electropolymerization of palladium tetraaminephthalocyanine: Characterization and supercapacitance behavior, Dyes and Pigments, 2015, vol. 112, p. 192. https://doi.org/10.1016/j.dyepig.2014.06.034
  21. Aroca, R., Dilella, D.P., and Loutfy, R.O., Raman spectra of solid films-I. Metal-free phthalocyanine, J. Phys. and Chem. Solids, 1982, vol. 43, no. 8, p. 707. https://doi.org/10.1016/0022-3697(82)90235-9
  22. Gribkova, O.L., Kabanova, V.A., Iakobson, O.D., and Nekrasov, A.A., Spectroelectrochemical investigation of electrodeposited polypyrrole complexes with sulfonated polyelectrolytes, Electrochim. Acta, 2021, vol. 382, p. 138307. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2021.138307
  23. Gribkova, O.L., Iakobson, O.D., Nekrasov, A.A., Cabanova, V.A., Tverskoy, V.A., Tameev, A.R., and Vannikov, A.V., Ultraviolet-Visible-Near Infrared and Raman spectroelectrochemistry of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) complexes with sulfonated polyelectrolytes. The role of inter- and intra-molecular interactions in polyelectrolyte, Electrochim. Acta, 2016, vol. 222, p. 409. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2016.10.193
  24. Potje-Kamloth, K., Chemical Gas Sensors Based on Organic Semiconductor Polypyrrole, Critical Rev. in Analytical Chem., 2002, vol. 32, no. 2, p. 121. https://doi.org/10.1080/10408340290765489
  25. Zafar, Q., Fatima, N., Karimov, K.S., Ahmed, M.M., and Sulaiman, K., Realizing broad-bandwidth visible wavelength photodiode based on solution-processed ZnPc/PC71BM dyad, Optical Mater., 2017, vol. 64, p. 131. https://doi.org/10.1016/j.optmat.2016.12.001
  26. Nath, D., Dey, P., Joseph, A.M., Rakshit, J.K., and Roy, J.N., CuPc/C60 heterojunction for high responsivity zero bias organic red-light photodetector, Appl. Phys. A: Mater. Sci. and Processing, 2020, vol. 126, no. 8, p. 627. https://doi.org/10.1007/s00339-020-03806-w

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Структура фталоцианината цинка, использованного в работе

Скачать (111KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Циклические вольтамперограммы при попытке осаждения слоя PPy из водного раствора 0.01М пиррола и 0.0025 М ZnPc на электроде FTO: без подслоя (a); с подслоем PPy-PAMPSNa (б); с подслоем PEDOT-PAMPSNa (в)

Скачать (275KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Динамика изменения тока (I), заряда (Q) и спектров оптического поглощения (A) в процессе ПС-осаждения слоя PPy-ZnPc из водного раствора 0.01 М пиррола и 0.0025 М ZnPc на электроде FTO: (a) без подслоя (Epoly = 1.0 В); (б) с подслоем PPy-PAMPSNa (Epoly = 0.8 В); (в) спектры (на вставке: изменение поглощения на 750 нм в зависимости от заряда, пошедшего на электрополимеризацию Py) в процессе синтеза на подслое (цифры в легенде – время, с, от начала синтеза)

Скачать (321KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Динамика изменения тока (I), заряда (Q), потенциала (E) и спектров оптического поглощения (А) в процессе ПС (a, в), Epoly = 0.85 В и ГС (б, г), плотность тока 0.09 мА/см2 осаждения слоя PPy-ZnPc из водного раствора 0.01 М пиррола и 0.0025 М ZnPc на электроде FTO с подслоем PEDOT-PAMPSNa. На спектрах (в, г) цифры в легенде – время, с, от начала синтеза; на вставках – изменение поглощения на 750 нм в зависимости от заряда, пошедшего на электрополимеризацию Py

Скачать (433KB)
Метаданные
6. Рис. 5. АСМ-изображения и профили сечения вдоль белых линий образцов PPy-ZnPc, полученных потенциостатической полимеризацией на подслоях PPy-PAMPSNa (а) и PEDOT-PAMPSNa (б)

Скачать (667KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Спектры поглощения слоев, электроосажденных на FTO электрод: 1 – PPy-ZnPc на подслое PEDOT-PAMPSNa; 2 – PPy-PAMPSNa; 3 – подслой PEDOT-PAMPSNa

Скачать (89KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Нормированные (интенсивность полосы 986 см–1) спектры КР при возбуждении лазером 632 нм образцов, электроосажденных на подложки FTO-стекло: 1 – PPy-ZnPc на подслое PPy-PAMPSNa; 2 – PPy-PAMPSNa. Для сравнения: 3 – произвольно нормированный спектр слоя ZnPc, нанесенного поливом раствора на стекло

Скачать (125KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Нормированные (интенсивность полосы 991 см–1) спектры КР образцов, электроосажденных на подложки FTO-стекло, при возбуждении лазером 632 нм: 1 – PPy-ZnPc на подслое PEDOT-PAMPSNa; 2 – PEDOT-PAMPSNa. Для сравнения: 3 – произвольно нормированный КР-спектр слоя ZnPc, нанесенного поливом раствора на стекло

Скачать (123KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024