Prof. Yun Hee Jang
Etablissement d'origine
Daegu Gyeongbuk Institute of Science and Technology (DGIST) - KO
Laboratoire d'accueil
Hôte scientifique
Prof. Yves Lansac
Projet
Molecular modeling of stretchable electronics
Un polymère conducteur formulable dans l'eau (donc productible en masse et respectueux de l'environnement), PEDOT:PSS, attire une grande attention en tant que semiconducteur organique flexible, léger, ductile, transparent et thermoélectrique, idéal pour divers dispositifs électroniques tels que LED, cellule solaire, générateur thermoélectrique, capteur/actionneur implantable auto-alimenté et finalement peau artificielle.
Cependant, jusqu'à présent, les films PEDOT:PSS formés en phase liquide, contrairement au PEDOT cristallin résultant du dépôt en phase vapeur, présentent une conductivité électrique beaucoup plus faibles que leur homologue inorganique (oxyde d'indium-étain). Dans le PEDOT:PSS pur, le PEDOT court et le PSS long forment des domaines granulaires, dans lesquels le PSS (hydrophile mais isolant) encapsule le PEDOT (conducteur mais hydrophobe), empêchant la formation de grands domaines PEDOT conducteurs. PEDOT:PSS devient soluble dans l'eau et thermiquement stable mais présente une faible conductivité. Une amélioration spectaculaire (~5000 fois) de la conductivité a été obtenue par addition de liquides ioniques (IL). Diverses observations, à la fois expérimentales et théoriques, indiquent un mécanisme dans lequel un échange d'ions entre PEDOT:PSS et IL induit la séparation PEDOT-PSS et forme de grands domaines PEDOT décorés par des anions IL.
Ce mécanisme conduit à un principe de conception selon lequel les ILs avec des cations hydrophiles et des anions hydrophobes favorisent de tels processus, comme le confirme nos expériences. Ces expériences démontrent non seulement une amélioration spectaculaire de la morphologie et de la conductivité électrique, mais également des propriétés mécaniques (module d'élasticité et déformation d'endommagement) du PEDOT:PSS traité avec de tels IL.
Dans ce projet, nous étudions l'origine moléculaire de telles améliorations induites par l'IL sur le module élastique de PEDOT:PSS en effectuant des calculs de théorie fonctionnelle de la densité et des simulations de dynamique moléculaire sur des modèles atomistiques de films minces PEDOT:PSS formés en phase liquide en présence d'IL.
Events organised by this fellow
Publications
Final reports
A theoretical prediction of favorable ion exchange between PEDOT:PSS and hard-cation-soft-anion ionic liquids (IL) is confirmed experimentally and computationally by treating PEDOT:PSS with a new IL composed of an extremely hard protic cation MIM+ and an extremely soft anion TCB–. This protic IL significantly improves both conductivity and stretchability of PEDOT:PSS, outperforming its aprotic counterpart, EMIM :TCB, which has been the best IL employed for this purpose so far. This electrical and mechanical enhancement is speculated as a result of the aromatic and protic cation MIM+ which does not only provide efficient ion exchange with PEDOT:PSS but also serves as a molecular glue holding together multiple PEDOT domains by strong ionic as well as hydrogen bonds, because washing MIM+ out of the film degrades the stretchability while keeping the morphology. Our results offer molecular-level insights on the morphological, electrical, and mechanical properties of PEDOT:PSS and a molecular-interaction-based enhancement strategy for intrinsically stretchable conductive polymers.