Eletrodos flexíveis fabricados com compósitos de óxido de grafeno, PEDOT:PSS e PEDOT : síntese, aplicação em dispositivos sensores e modelagem teórica
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Data
2024Autor
Neves, Matheus Felipe Fagundes das
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Resumo: O presente estudo explora a combinação de PEDOT, PSS e óxido de grafeno (GO) para aplicações na eletrônica orgânica. Esses materiais possuem propriedades opto-eletrônicas que favorecem sua utilização como eletrodos transparentes e camadas ativas em sensores de gases. O desafio enfrentado é o aprimoramento da condutividade elétrica do PEDOT como tinta aquosa condutora, a qual é limitada devido à natureza isolante do PSS, sendo que a mistura com GO resulta em um significativo aumento da condutividade elétrica. Essa tese apresenta uma tinta de PEDOT sintetizada que se mantém estável por meses, sem a necessidade de surfactantes ou aditivos, sendo composta por nanopartículas de PEDOT com baixo teor de resíduo metálico. As tintas sintetizadas quimicamente foram comparadas com as comerciais de PEDOT:PSS por meio de diferentes técnicas de deposição, caracterizando as suas propriedades elétricas, ópticas e morfológicas com a presença ou não do GO. As tintas foram aplicadas como camada ativa em sensores flexíveis para monitorar vapores de etanol e metanol. A maior resposta, correspondendo a 20%, é alcançada com GO:PEDOT:PSS sob exposição ao metanol. Observa-se que o GO afeta apenas as tintas comerciais, enquanto a resposta para PEDOT e GO:PEDOT é próxima a 2%. Além disso, camadas ativas com PSS apresentaram aumento na resistência elétrica, enquanto filmes sem PSS mostraram redução dessa grandeza durante a exposição aos vapores alcoólicos, indicando diferentes mecanismos de interação. A análise de teoria do funcional de densidade (DFT) foi utilizada para compreender a interação entre as camadas ativas e o metanol e mostrou a redução de carga nos sistemas com PSS, bem como no efeito de dopagem adicional do PEDOT. Também foi desenvolvido um modelo baseado nas redes de junção dos materiais com abordagem do Circuito de Kirchhoff, objetivando elucidar os fatores responsáveis pelo mínimo de resistividade e pelo máximo de resposta em diferentes proporções entre PEDOT e GO, bem como o efeito de inversão de sinal observado. Os resultados desse modelo estão em concordância qualitativa e quantitativa com os dados experimentais. Abstract: This study explores the combination of PEDOT, PSS, and graphene oxide (GO) for organic electronics applications, with a focus on their utilization as transparent electrodes and as active layers in gas sensors. The primary challenge lies in enhancing the electrical conductivity of PEDOT, which is constrained by the insulating properties of PSS. The incorporation of PEDOT with GO results in a significant improvement in electrical conductivity. A stable, surfactantfree synthesized PEDOT ink is presented and compared with commercial PEDOT:PSS inks using various deposition techniques, allowing for the characterization of electrical, optical and morphological properties both with and without GO. These inks were subsequently applied as active layers in flexible sensors for the monitoring of ethanol and methanol vapors. The highest response, corresponding to 20%, is achieved with GO:PEDOT:PSS under methanol exposure. GO predominantly influences commercial inks, while the response for PEDOT and GO:PEDOT approximates 2%. The active layers containing PSS exhibit heightened electrical resistance, while PSS-free films display a decrease in resistance when exposed to alcoholic vapors. This suggests distinct interaction mechanisms at play. Density Functional Theory (DFT) analysis elucidates the charge reduction in PSS-containing systems and an additional doping effect of PEDOT. A Kirchhoff Circuit-based model expounds on the factors governing minimum resistivity, maximum response, and signal inversion at varying PEDOT and GO ratios, demonstrating qualitative and quantitative alignment with experimental data.
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