Jump to content

Фотопроводящий полимер

Фотопроводящие полимеры поглощают электромагнитное излучение и увеличивают электропроводность . Фотопроводящие полимеры используются в самых разных технических приложениях, таких как ксерография (электрография) и лазерная печать . Электропроводность органических соединений обычно очень мала . Проводящие полимеры обычно обладают большой электропроводностью. Фотопроводящий полимер — это интеллектуальный материал на основе проводящего полимера, электропроводность которого можно контролировать с помощью количества излучения.

Основными параметрами фотопроводимости являются квантовая эффективность генерации носителей заряда ( ), подвижность носителей ( ), электрическое поле (E), температура (T) и концентрация (C) носителей заряда. Внутренними свойствами фотопроводящих полимеров являются квантовая эффективность ( ) и мобильность носителя( ), что и будет определять фототок . На фототок влияют эти четыре вида процессов: генерация носителей заряда , инжекция заряда , захват заряда , транспорт носителей заряда .

Сотни фотопроводящих полимеров описаны в патентах и ​​литературе. [ 1 ] В основном существует два типа фотопроводящих полимеров: отрицательные фотопроводящие полимеры и магнитные фотопроводящие полимеры.

Определение

[ редактировать ]

Фотопроводимость – это оптическое и электрическое явление, при котором электропроводность материала увеличивается за счет поглощения электромагнитного излучения (например, видимого света, ультрафиолетового света, инфракрасного света). Фотопроводящие полимеры могут служить хорошими изоляторами при отсутствии электричества, свободных электронов и дырок.

В общем, полимеры обычно удовлетворяют этим двум характеристикам.

1. Фотопроводящие полимеры могут поглощать свет, переводя электроны из основного состояния в возбужденное. Фотовозбужденный электрон образует пару носителей заряда, их можно разделить электрическим полем.

2. Фотопроводящие полимеры должны обеспечивать миграцию либо фотовозбужденных электронов, либо дырок, либо того и другого через полимер в электрическом поле к соответствующим электродам.

Фотопроводящие полимеры действуют просто как среды, переносящие заряд, и они могут быть p-типа или n-типа , однако большинство известных фотопроводящих полимеров относятся к p-типу (только транспортные дырки). Обычно наблюдаемые фототоки в органических соединениях очень малы. Подвижности μ обычно составляют 10 −12 -10 −18 м 2 V −1 с −1 . А фототоки обычно возникают за счет генерации, инжекции и транспортировки носителей заряда.

Фотопроводящие полимеры были разработаны в различные типы, в основном есть два типа: один - отрицательная фотопроводимость, другой - магнитная фотопроводимость. Фотопроводящие полимеры значительно обогатили фотопроводящий материал, и существует множество применений (например, ксерография, лазерные принтеры).

Отрицательный

[ редактировать ]

Некоторые материалы демонстрируют снижение фотопроводимости под воздействием освещения. Одним из ярких примеров является гидрогенизированный аморфный кремний, в котором наблюдается метастабильное снижение фотопроводимости. [ 2 ] Другие материалы, которые, как сообщается, обладают отрицательной фотопроводимостью, включают дисульфид молибдена, [ 3 ] графен, [ 4 ] и наночастицы металлов. [ 5 ]

Факторы, влияющие на фототок

[ редактировать ]

Когда свет поглощается материалом, количество свободных электронов и электронных дырок увеличивается, что повышает его электропроводность. [ 6 ] Чтобы вызвать возбуждение, свет, падающий на материалы, должен иметь достаточную энергию, чтобы поднять электроны через запрещенную зону или возбудить примеси внутри запрещенной зоны. И этот процесс будет включать в себя четыре вида процессов: генерацию носителей заряда, инжекцию заряда, захват заряда и транспорт носителей заряда.

Генерация носителей заряда

[ редактировать ]
Механизм собственной фотогенерации заряда в аморфных фотопроводниках

На генерацию носителей заряда могут влиять разные аспекты: поглощение фотонов , сам полимер, фотовозбуждение светочувствительного материала. Механизм внутренней фотогенерации показан ниже. [ 7 ]

Первоначально Онсагер разработал эту теорию: [ 8 ]

Комплекс встречи будет формироваться путем фотовозбуждения с миграцией экситона в акцепторный участок. Эффективность фотогенерации определяется конкуренцией между разделением носителей и гематной рекомбинацией . Эффективность фотогенерации определялась с использованием диссоциации ионных пар в слабых электролитах , которую можно выразить как функцию электрического поля, температуры и расстояния между связанной парой дырка-электрон. [ 9 ] Общая эффективность фотогенерации может быть предоставлено

является элементом объема, – первичный квантовый выход, - вероятность того, что пара дырка-электрон, разделенная расстоянием под углом по направлению электрического поля , – функция пространственного распределения между ионами.

Эффективная инжекция заряда в слой играет важную роль при работе со слоем фотогенерации.

В квазистационарных условиях это можно записать следующим уравнением:

- скорость падающих фотонов, которые поглощаются при фотогенерации, – скорость уменьшения плотности свободных носителей в слое генерации за счет рекомбинации, это скорость впрыска.

Если предположить, что заряды, пересекшие границу раздела, не вернутся, эффективность фотоинжекции может быть определен как [ 10 ]

, когда

(i) Для большого или низкие скорости рекомбинации, , и в этом случае эффективность фотоинжекции определяется эффективностью генерации.

(ii) Для небольшого или высокие скорости рекомбинации, и эффективность фотоинжекции будет зависеть от скорости инжекции, .

Зарядный транспорт

[ редактировать ]

Транспорт заряда можно определить как процесс, при котором фотогенерированный заряд в фотопроводниках инжектируется в транспортный материал. При инжекции зарядов заряды будут мигрировать через среду и затем достигать противоположного электрода. В этом процессе электроны или дырки, или и то и другое, включают в себя «прыжки», например, последовательность переносов зарядов между локализованными участками. [ 11 ] Эти локализованные сайты связаны с отдельными функциональными группами или сегментами полимерной цепи.

Обычно это инъекция дырок или перенос дырок в транспортирующую среду. Этот процесс можно рассматривать как стадию окисления с генерацией катион-радикалов. Между тем, инжекция электронов — это процесс восстановления.

Судя по свойствам переноса заряда, фотопроводящие полимеры обычно удовлетворяют одной из характеристик:

(1) Фотопроводящие полимеры являются σ-сопряженными .

(2) Фотопроводящие полимеры имеют расширенную π-электронную систему в основной цепи, примыкающей к цепи.

Эти функции гарантируют делокализацию и стабилизируют транспортный заряд.

Захват заряда

[ редактировать ]

Захват заряда — важный процесс, при котором мигрирующие заряды могут быть иммобилизованы в ловушках. Если ловушки «неглубокие», их можно назвать «транспортно-интерактивными». [ 12 ] Материалы, улавливающие дырки, обычно имеют более низкие окислительные потенциалы и работают как материалы, транспортирующие хозяина. Более сильный акцептор электронов имеет лучшую способность захватывать транспортные электроны.

Заряды могут быть иммобилизованы за счет окислительно-восстановительных необратимых побочных реакций за счет геминной рекомбинации и рекомбинации носителей в цепи. Заряженный фрагмент в этом процессе можно проиллюстрировать схемой:

(а) Иммобилизация заряда вследствие окислительно-восстановительной необратимой побочной реакции.

(а) Окислительно-восстановительные этапы для достижения миграции дырки без ловушек с участием нейтральных групп M и заряженных групп M +

(б) Иммобилизация заряда вследствие необратимой окислительно-восстановительной реакции.

(б) Прерывистый вид M j + может подвергаться двум видам процесса:

(i) Миграция электрона из M k приведет к образованию M j, поступающего из M j +

(ii) М j + подвергаются побочной реакции, приводящей к образованию заряженной частицы X + это не приведет к дальнейшему обмену зарядом с соседней группой M. [ 13 ]

Экспериментальные методы

[ редактировать ]

Общее введение

[ редактировать ]

У фотопроводящих полимеров есть некоторые параметры: квантовая эффективность фотогенерации. , подвижность носителя и эффективность впрыска . Эти параметры невозможно получить при стационарных измерениях. и являются очень важными параметрами при выражении фотопроводимости, они получены в результате независимых экспериментов. [ 14 ]

Транзиентные техники, [ 15 ] время полета (TOF) [ 16 ] и ксерографическая выписка [ 17 ] являются традиционными переходными методами, которые используются для определения параметров фотопроводящих полимеров. И все их нужно делать под неинъекционными контактами.

Экспериментальное определение подвижности носителей заряда

[ редактировать ]

Заряды будут генерироваться в области, вблизи электрода поглощаются падающие фотографии. Чтобы избежать миграции зарядов в виде импульса тока, RC имеют меньшее значение, чем (RC< , R: сопротивление, C: емкость и : время прохождения зарядов). Сигнал представляет собой прямоугольник с амплитудой без чрезмерной дисперсии заряда и может быть выражено следующим образом:

, где - электронный заряд, а N - количество поглощенных фотографий.

И ток будет близок к 0, когда заряды достигнут электрода, поэтому подвижность носителей можно выразить следующим образом:

, где это толщина пленки.

В ксерографическом методе коронированный заряд играет ту же роль, что и полупрозрачный электрод. Разность потенциалов контролируется с помощью связанного зонда. В отсутствие захвата заряда скорость распада потенциала имеет вид:

, где это емкость и — количество поглощенных фотонов на единицу площади в единицу времени.

Измерив скорость затухания потенциала, и можно получить соответственно.

Приложения

[ редактировать ]

Фотопроводящий полимер успешно применяется в ксерографических и лазерных принтерах. Они использовали слоистый органический фотопроводящий полимер с полимерным слоем переноса заряда. Слой переноса заряда представляет собой твердое решение по сравнению с другими принтерами, которые обычно используют жидкие химикаты в процессе печати. Основными преимуществами органического фотопроводящего полимера являются (i) чувствительность к ближнему ИК-диапазону (ii) панхроматичность (iii) гибкость применения (iv) простота изготовления (v) низкая стоимость. В настоящее время лучшие органические фотопроводящие полимеры столь же чувствительны, как и неорганические устройства на основе селена.

Есть некоторое потенциальное применение в фотоэлектрических элементах. Ограничением этого применения является то, что фотопроводящий полимер не обладает высокой эффективностью преобразования.

О некоторых возможных применениях сообщается только в литературе, но о коммерческих продуктах не сообщается. Это фототермопластические изображения, [ 18 ] голографическая запись [ 19 ] и оптические коммутационные устройства. [ 20 ]

Ксерография

[ редактировать ]

Ксерография или электрофотография – это метод фотокопирования. Его фундаментальный принцип был изобретен Честером Карлсоном в 1938 году, разработан и коммерциализирован корпорацией Xerox и используется для высококачественной печати. [ 21 ] Сначала метод назывался электрофотографией, затем его переименовали в ксерографию. В традиционных методах репродукции в процессе печати используются жидкие химикаты. В ксерографии в качестве основного материала используется фотопроводящий полимер, который представляет собой твердые химические вещества. [ 22 ]

Инновация Карлсона объединила электростатическую печать с фотографией, в отличие от процесса электростатической печати, изобретенного Георгом Кристофом Лихтенбергом в 1778 году. Оригинальный процесс Карлсона требует нескольких этапов ручной обработки с использованием плоских пластин. Прошло почти 18 лет, прежде чем был разработан полностью автоматизированный процесс, ключевым достижением которого стало использование цилиндрического барабана, покрытого селеном, вместо плоской пластины. В результате появился первый коммерческий автоматический копировальный аппарат (Xerox 914). [ 23 ] в 1960 году.

До 1960 года Карлсон предложил свою идею более чем дюжине компаний, но ни одна из них не заинтересовалась. Ксерография сейчас используется в большинстве фотокопировальных аппаратов, лазерных и светодиодных принтерах. [ 24 ]

Лазерные принтеры

[ редактировать ]

Лазерная печать — это процесс электростатической цифровой печати. [ 25 ] Он создает высококачественный текст и графику, многократно пропуская лазерный луч вперед и назад по отрицательно заряженному цилиндру, называемому «барабаном», для получения заряженного изображения. [ 26 ] Барабан избирательно собирает электрически заряженные порошкообразные чернила (тонер) и переносит изображение на бумагу.

В качестве цифровых копировальных аппаратов лазерные принтеры используют процесс ксерографической печати. Однако лазерная печать отличается от аналоговых копировальных аппаратов. Потому что изображение создается путем прямого сканирования носителя через фоторецептор принтера, что позволяет лазерной печати копировать изображения быстрее, чем большинство копировальных аппаратов. [ 27 ]

Первый лазерный принтер был изобретен компанией Xerox PARC в 1970-х годах. В последующие годы лазерные принтеры были представлены на офисном, а затем и на домашнем рынке компаниями IBM , Canon , Xerox, Apple, Hewlett-Packard и другими. [ 28 ] На протяжении десятилетий качество и скорость росли по мере падения цен, и некогда передовые печатные устройства теперь распространены повсеместно. [ 29 ]

См. также

[ редактировать ]
  1. ^ Мыльников В.С. (1974). «Фотопроводимость органических полимеров». Усп. Хим . 43 : 1821.
  2. ^ Д.Л., Штеблер; ЧР, Вронский (июнь 1977 г.). «Обратимые изменения проводимости в аморфном кремнии, полученном в результате разряда». Письма по прикладной физике . 31 (4): 292–294. Бибкод : 1977АпФЛ..31..292С . дои : 10.1063/1.89674 .
  3. ^ Серпи, А. (16 октября 1992 г.). «Отрицательная фотопроводимость в MoS 2 ». Физический статус Солиди А. 133 (2). Уайли: К73–К77. Бибкод : 1992ПССАР.133...73С . дои : 10.1002/pssa.2211330248 . ISSN   0031-8965 .
  4. ^ Дж. Н., Хейман (2015). «Нагрев носителей и отрицательная фотопроводимость в графене». Журнал прикладной физики . 117 (1): 015101–1. arXiv : 1410.7495 . Бибкод : 2015JAP...117a5101H . дои : 10.1063/1.4905192 . S2CID   118531249 .
  5. ^ Хидеюки, Наканиси (2009). «Фотопроводимость и обратная фотопроводимость в пленках функционализированных металлических наночастиц». Природа . 460 (7253): 371–375. Бибкод : 2009Natur.460..371N . дои : 10.1038/nature08131 . ПМИД   19606145 . S2CID   4425298 .
  6. ^ Сагаи, Джабер; Фаллахзаде, Али; Сагаи, Тайебе (июнь 2016 г.). «Обработка паром как новый метод усиления фототока УФ-фотодетекторов на основе наностержней ZnO». Датчики и исполнительные механизмы A: Физические . 247 : 150–155. дои : 10.1016/j.sna.2016.05.050 .
  7. ^ Кен-ичи, Окамото; Акира, Итайя (1984). «Фотогенерация внешнего носителя в поли(N-винилкарбазоле)». Бык. хим. Соц. Япония . 57 (6): 1626–1630. дои : 10.1246/bcsj.57.1626 .
  8. ^ Л., Онсагер (1938). «Начальная рекомбинация ионов». Физ. Преподобный . 54 (8): 554–557. Бибкод : 1938PhRv...54..554O . дои : 10.1103/PhysRev.54.554 .
  9. ^ Пай, ДМ; Энк, Р.К. (15 июня 1975 г.). «Онзагерский механизм фотогенерации в аморфном селене». Физический обзор B . 11 (12). Американское физическое общество (APS): 5163–5174. Бибкод : 1975PhRvB..11.5163P . дои : 10.1103/physrevb.11.5163 . ISSN   0556-2805 .
  10. ^ Мельц, П.Дж. (1977). «Использование транспортных слоев носителей на основе пиразолина в слоистых фотопроводниковых системах для электрофотографии». Фото. наук. англ . 21:73 .
  11. ^ Гилл, В.Д. (1973). Материалы V Международной конференции по аморфным и жидким полупроводникам . Тейлор и Фрэнсис. стр. С135.
  12. ^ Пай, ДМ; Янус, Дж. Ф.; Столка, М. (1984). «Прыжковый транспорт, управляемый ловушкой». Дж. Физ. Хим . 88 (20): 4714–4717. дои : 10.1021/j150664a054 .
  13. ^ Кудер, Дж. М.; Лимбург, WW; Столка, М.; Тернер, SR (1979). «Анодное и фотохимическое окисление трифенилметанов». Дж. Орг. Хим . 44 (5): 761–766. дои : 10.1021/jo01319a021 .
  14. ^ Долезалек, ФК (1976). Морт, Дж.; Пай, Д. (ред.). Фотопроводимость и связанные с ней явления . Нью-Йорк: Elsevier Scientific. п. 27.
  15. ^ Дигби, Д. Макдональд (1977). Переходные методы в электрохимии . Стэнфордский исследовательский институт (SRI International).
  16. ^ Р.Г., Кеплер (1960). «Производство и подвижность носителей заряда в кристаллах антрацена». Физ. Преподобный . 119 (4): 1226–1229. Бибкод : 1960PhRv..119.1226K . дои : 10.1103/PhysRev.119.1226 .
  17. ^ СМ, ВАЕЗИ-НЕДЖАД (1987). «Ксерографические разрядные методы исследования переноса заряда в материалах с высоким удельным сопротивлением». Международный журнал электроники . 63 : 71–88. дои : 10.1080/00207218708939110 .
  18. ^ Террелл, Д.Р. (1978) Фотогр. наук. Эннг , 21 , 66.
  19. ^ Шеридон, Северная Каролина (1972). «Семейство устройств записи стираемых изображений Ruticon». Транзакции IEEE на электронных устройствах . 19 (9). Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE): 1003–1010. Бибкод : 1972ITED...19.1003S . doi : 10.1109/t-ed.1972.17536 . ISSN   0018-9383 .
  20. ^ Мойсан, JY; Грейви, П.; Левер, Р.; Боннель, Л. (1 января 1986 г.). «Усовершенствование фототермопластичных устройств для их применения в оптической коммутации». Оптическая инженерия . 25 (1). SPIE-Intl Soc Optical Eng: 251151. Bibcode : 1986OptEn..25..151M . дои : 10.1117/12.7973793 . ISSN   0091-3286 .
  21. ^ Дэн А. Хейс (31 марта 2003 г.). «Как работает копировальный аппарат?» . Научный американец.
  22. ^ Шиффер, Майкл Б.; Холленбек, Кейси Л.; Белл, Кэрри Л. (14 октября 2003 г.). Нарисуйте молнию: Бенджамин Франклин и электротехника в эпоху Просвещения . Издательство Калифорнийского университета.
  23. ^ «Ксерокс 914» .
  24. ^ «Процессы фотокопирования». Энциклопедия науки и технологий McGraw-Hill, том. 13, с. 395, 10-е издание, 2007 г.
  25. ^ Лазерный принтер — определение лазерного принтера от Merriam-Webster» . merriam-webster.com.
  26. ^ Гладуэлл, Малкольм (28 октября 2013 г.). «Миф о сотворении мира — Xerox PARC, Apple и правда об инновациях». Житель Нью-Йорка .
  27. ^ Эдвин, Д. Рейли (2003). Вехи в области компьютерных наук и информационных технологий . Гринвуд Пресс. ISBN  978-1-57356-521-9 .
  28. ^ Уве, Штайнмюллер (2010). Художественная печать для фотографов: качественные отпечатки выставочного качества на струйных принтерах . O'Reilly Media, Inc. ISBN  978-1-4571-0071-0 .
  29. ^ Рой, А. Аллан (2001). История персонального компьютера: люди и технологии . Издательство Аллан. ISBN  978-0-9689108-3-2 .
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: e583e8a083a31d3a730e9ec8c130a214__1702561320
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/e5/14/e583e8a083a31d3a730e9ec8c130a214.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Photoconductive polymer - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)