Study on the structure related dielectric properties and molecular dynamics of poly(dimethylsiloxane) crosslinked by metal-ligand coordination.
Badanie właściwości dielektrycznych i dynamiki molekularnej wynikających ze struktury poli(dimetylosiloksanu) usieciowanego przez koordynację metal-ligand
Project type: Research and development
Keywords: dielektyk polimerowy dynamika molekularna przenikalność elektryczna sieciowanie poprzez koordynację metal-ligand
Keywords (english): polymeric dielectric molecular dynamic dielectric permititivity crosslinking through metal-ligand coordination
Consortium members: Project was not implemented as part of a consortium
Project implementation period: 30/01/2020 - 29/10/2022
Funding institution: Narodowe Centrum Nauki
Program name: Preludium
Project manager: Angelika Wrzesińska
Funding value: 138 420,00 PLN
Total project value: 138 420,00 PLN
Materiały polimerowe usieciowane poprzez dynamiczną koordynację niekowalencyjnego metalu z ligandem to nowa klasa materiałów o znacznym potencjale zastosowania jako warstwa dielektryczna w organicznych tranzystorach polowych (OFET). Głównym celem projektu jest optymalizacja syntezy i badanie zależności pomiędzy parametrami strukturalnymi a właściwościami dielektrycznymi, termicznymi i samoregeneracyjnymi poli(dimetylosiloksanu) (PDMS) usieciowanego przez koordynację metal-bipirydyna (bpy) w zależności od wybranych: 1) rodzaj jonu metalu (Mn2+, Fe2+, Ni2+, Zn2+); 2) rodzaj przeciwanionów (F–, Cl–, Br–, I–); 3) masa cząsteczkowa polimeru. Hipotezą projektu jest, że wprowadzenie wiązań koordynacyjnych metal-ligand do długiego łańcucha PDMS poprawia właściwości dielektryczne tego materiału dzięki tworzeniu wiązania koordynacyjnego o charakterze dipolarnym. Syntetyzowane materiały posiadają strukturę elastomerową w temperaturze pokojowej i wykazują podwyższoną wartość przenikalności dielektrycznej ε’ w porównaniu do niezmodyfikowanych PDMS i polimerów dostępnych na rynku. Co więcej, wartość ε’ jest płaska w szerokim zakresie częstotliwości i temperatury, co potwierdzają przeprowadzone badania wstępne. Dodatkowo materiały te są w pełni przetwarzalne technikami roztworowymi, co otwiera możliwość tworzenia cienkich warstw dielektrycznych. Plan prac zakłada optymalizację syntezy i kompleksowe badanie zależności pomiędzy parametrami strukturalnymi, właściwościami dielektrycznymi, termicznymi i samonaprawiającymi syntetyzowanych materiałów. Zadanie 1) Synteza i charakterystyka dielektryków polimerowych usieciowanych przez koordynację metal-ligand. Synteza koordynacyjnych polimerów dielektrycznych metal-ligand będzie się odbywać poprzez włączenie ugrupowania bpy do matrycy PDMS. Następnie otrzymany układ bpy-PDMS zostanie usieciowany przez dodanie soli metalu. Charakterystyka produkowanych materiałów zostanie wykonana poprzez: Protonowy jądrowy rezonans magnetyczny (1H NMR) – do monitorowania struktury koniugatu bpyPDMS; spektroskopia UV-Vis – do monitorowania stechiometrii wiązania jonów metali z bpy; spektroskopia FT-IR – do badania struktury złożonej; Zdolność do samoleczenia bez bodźców zewnętrznych będzie badana w temperaturze pokojowej i atmosferze otoczenia. Zadanie 2) Obliczenia za pomocą teorii funkcjonału gęstości (DFT) struktury kompleksów z różnymi jonami metali i koordynacji ligandów posłużą do scharakteryzowania ich energii cząsteczkowej oraz długości wiązania jonów bpy-metal, co będzie cenną pomocą w interpretacji otrzymanych wyników w kolejnym planowanym zadania. Zadanie 3) Badanie właściwości cieplnych i dielektrycznych syntetyzowanych materiałów Różnicowa kalorymetria skaningowa (DSC) zostanie wykorzystana do scharakteryzowania zachowania termicznego zsyntetyzowanych próbek. Technika ta umożliwia ilościowe określenie przejść fazowych (tj. topnienia, temperatury zeszklenia) i pomoże zidentyfikować termodynamiczne właściwości materiałów i zrozumieć ich zachowanie. Właściwości dielektryczne, tj. złożona przenikalność dielektryczna i relaksacja molekularna syntetyzowanych materiałów, zostaną przeprowadzone metodą szerokopasmowej spektroskopii dielektrycznej (BDS) w szerokim zakresie częstotliwości 10E-01÷10E+06 Hz i zakresach temperatur odpowiednich dla PDMS (–130÷100℃). Rozpoznanie ruchów molekularnych w badanych układach może zapewnić wgląd w ich związek struktura-właściwość, co jest przydatne do identyfikacji różnych regionów strukturalnych na podstawie ich charakterystycznie różnej dynamiki. Planuje się wytwarzanie OFET z syntetyzowanymi materiałami służącymi jako warstwa dielektryczna w strukturze dolnego styku dolnego wrota. Podstawowe parametry elektryczne tranzystorów: ruchliwość, przełożenie ON/OFF oraz napięcie progowe zostaną określone z charakterystyki przenoszenia i wyjściowej Innowacją projektu jest systematyczne badanie rzeczywistej części przenikalności dielektrycznej (ε’) oraz procesów/przejść relaksacyjnych w szerokim zakresie częstotliwości i temperatury PDMS usieciowanych poprzez koordynację metal-bpy. Ponadto występowanie procesów/przejść relaksacyjnych determinuje parametry użytkowe materiału, co jest kluczowym aspektem w przypadku dalszej optymalizacji i implementacji PDMS usieciowanego poprzez koordynację metal-bpy jako dielektryka bramkowego w OFET. Kompleksowa charakterystyka materiału w reprezentacji częstotliwości i temperatury ma kluczowe znaczenie, ponieważ różne procesy/przejścia relaksacji aktywowane temperaturą zmienią złożoną reakcję dielektryczną, która jest ważna dla wydajności materiału.
Polymeric materials cross-linked through dynamic non-covalent metal-ligand coordination are a new class of materials with significant potential for being used as dielectric layer in organic field effect transistors (OFETs). The main purpose of the project is synthesis optimization and study on relationship between structural parameters and dielectric, thermal and self-healing properties of poly(dimethylsiloxane) (PDMS) cross-linked through metal-bipyridine (bpy) coordination depending on selected: 1) type of metal ion (Mn2+, Fe2+, Ni2+, Zn2+); 2) type of counteranion (F–, Cl–, Br–, I–); 3) molecular mass of polymer. The hypothesis of the project is that introducing metal-ligand coordination bonds into long PDMS chain improves the dielectric properties of this material due to formation of the coordination bond with dipolar nature. Synthesized materials possess elastomeric structure at room temperature and exhibit elevated value of dielectric permittivity ε’ in comparison to non-modified PDMS and commercially available polymers. Furthermore, value of ε’ is flat in a broad range of frequency and temperature as is confirmed from performed preliminary studies. Additionally, these materials are fully processable by solution techniques, opening the possibility creation of thin dielectric films. Work plan assumes synthesis optimization and comprehensive study on relationship between structural parameters, dielectric, thermal, and self-healing properties of synthesized materials. Task 1) Synthesis and characterization of polymeric dielectrics crosslinked through metal-ligand coordination. The synthesis of metal-ligand coordination dielectric polymers will be done by incorporation of bpy moiety into PDMS matrix. Then, obtained bpy-PDMS system will be crosslinked by adding metal salt. Characterization of produced materials will be done by: Proton nuclear magnetic resonance (1H NMR) – to monitor the structure of bpyPDMS conjugate; UV-Vis spectroscopy – to monitor metal ion–bpy binding stoichiometry; FT-IR spectroscopy – to study the complex structure; Self-healing ability without any external stimuli will be investigated at room temperature and ambient atmosphere. Task 2) Density functional theory (DFT) calculations of complexes structure with different metal ions and ligand coordination will be used to characterize their molecular energy and bpy–metal ion bond length, which will be valuable assistance for interpretation of obtained results in the next planned tasks. Task 3) Study on thermal and dielectric properties of synthesized materials Differential scanning calorimetric (DSC) will be used to characterize the thermal behavior of the synthesized samples. This technique allows quantify of phase transitions, (i.e. melting, glass transition temperatures) and will help to identify thermodynamic properties of materials and understand their behavior. Dielectric properties i.e. complex dielectric permittivity, and molecular relaxation of synthesized materials will be performed by broadband dielectric spectroscopy (BDS) in a broad frequency 10E-01÷10E+06 Hz and temperature ranges suitable for PDMS (–130÷100 ℃). The recognition of molecular motions in the studied systems can provide insight into their structure–property relationship, which is useful for the identification of the different structural regions on the basis of their characteristically different dynamics. OFETs with synthesized materials serving as a dielectric layer are planned to be fabricated in a bottom-contact bottom-gate structure. Basic electrical parameters of the transistors: mobility, ON/OFF ratio and the threshold voltage will be determined from the transfer and output characteristics The innovation of the project is systematic investigation of real part of dielectric permittivity (ε’) and relaxation processes/transitions in broad range of frequency and temperature of PDMS crosslinked through metal-bpy coordination. Moreover, occurrence of relaxation processes/transitions determines material's performance parameters, which is the crucial aspect in the case of further optimization and implementation PDMS crosslinked through metal-bpy coordination as gate dielectric in OFETs. Comprehensive material characterization in the frequency and temperature representation is crucial as various temperature-activated relaxation processes/transitions will change the complex dielectric response that are important for the material's performance.
Go back