Fotokonduktiv polymer

Fotokonduktiva polymerer absorberar elektromagnetisk strålning och producerar en ökning av elektrisk ledningsförmåga . Fotokonduktiva polymerer har använts i en mängd olika tekniska tillämpningar som Xerografi (elektrofotografi) och laserutskrift . Elektrisk ledningsförmåga är vanligtvis mycket liten i organiska föreningar . Konduktiva polymerer har vanligtvis stor elektrisk ledningsförmåga. Fotokonduktiv polymer är ett smart material baserat på ledande polymer, och den elektriska ledningsförmågan kan styras av mängden strålning.

De grundläggande parametrarna för fotokonduktivitet är kvanteffektiviteten för bärargenerering ( $\Upsilon$ ), bärarmobiliteten ( $\mu$ ), elektriskt fält (E), temperatur (T) och koncentration (C ) av laddningsbärare. De inneboende egenskaperna hos fotokonduktiva polymerer är kvanteffektiviteten ( $\Upsilon$ ) och bärarmobiliteten ( $\mu$ ), som bestämmer fotoströmmen . Fotoström kommer att påverkas av dessa fyra typer av processer: generering av laddningsbärare, laddningsinjektion, laddningsfångning , laddningsbärares transport.

Hundratals fotokonduktiva polymerer har beskrivits i patent och litteratur. Det finns huvudsakligen två typer av fotokonduktiva polymerer: negativa fotoledande polymerer och magnetiska fotokonduktiva polymerer.

Definition

Fotokonduktivitet är ett optiskt och elektriskt fenomen, där materialets elektriska ledningsförmåga ökar genom absorption av elektromagnetisk strålning (t.ex. synligt ljus, ultraviolett ljus, infrarött ljus). Fotokonduktiva polymerer kan fungera som bra isolatorer när elektriciteten, fria elektroner och hål saknas.

I allmänhet uppfyller polymererna vanligtvis dessa två egenskaper.

1. Fotokonduktiva polymerer kan absorbera ljus för att excitera elektroner från grundtillstånd till exciterat tillstånd. Den fotoexciterade elektronen kommer att bilda ett par laddningsbärare, den kan separeras med ett elektriskt fält.

2. Fotokonduktiva polymerer måste tillåta migrering av antingen fotoexciterade elektroner eller hål, eller båda, genom polymeren i det elektriska fältet mot lämpliga elektroder.

Fotokonduktiva polymerer fungerar bara som laddningstransporterande media, och det kan vara av p-typ eller n-typ , men de flesta kända fotokonduktiva polymerer är av p-typ (endast transporthål). Fotoströmmar som vanligtvis observeras är mycket små i organiska föreningar. Rörligheterna μ är typiskt 10 ⁻¹² -10 ⁻¹⁸ m ² V ⁻¹ s ⁻¹ . Och fotoströmmar åstadkommes vanligtvis genom generering av laddningsbärare, injektion och transport.

Fotokonduktiva polymerer har utvecklats till olika typer, det finns huvudsakligen två typer, en är negativ fotokonduktivitet, en annan är magnetisk fotokonduktivitet. De fotokonduktiva polymererna har avsevärt berikat det fotoledande materialet, och det finns många applikationer (t.ex. xerografi, laserskrivare)

Negativ

Vissa material uppvisar minskad fotokonduktivitet vid exponering för belysning. Ett framträdande exempel är hydrerat amorft kisel i vilket en metastabil minskning av fotokonduktivitet är observerbar. Andra material som rapporterades uppvisa negativ fotokonduktivitet inkluderar molybdendisulfid, grafen och metallnanopartiklar.

Faktorer som påverkar fotoströmmen

När ljus absorberas av ett material ökar antalet fria elektroner och elektronhål och höjer dess elektriska ledningsförmåga. För att orsaka excitation måste ljuset som träffar materialen ha tillräckligt med energi för att höja elektroner över bandgapet, eller för att excitera föroreningarna i bandgapet. Och denna process kommer att involvera fyra typer av processer: generering av laddningsbärare, laddningsinjektion, laddningsfångning, laddningsbärares transport.

Generering av laddningsbärare

Mekanism för inre fotogenerering av laddning i amorfa fotoledare

Genereringen av laddningsbärare kan påverkas i olika aspekter: absorberade fotoner , själva polymeren, fotoexcitation av ljuskänsligt material. Mekanismen för inre fotogenerering är som illustreras.

Som Onsager ursprungligen utvecklade denna teori:

Encounter-komplexet kommer att bildas genom fotoexcitation med migrering av excitonen till ett acceptorställe. Fotogenereringseffektiviteten bestäms av konkurrensen mellan bärarseparation och geminate rekombination. Fotogenereringseffektiviteten definierades genom att använda dissociationen av jonpar i svaga elektrolyter , vilket kan uttryckas som en funktion av elektriskt fält, temperatur och separationsavståndet för det bundna hålelektronparet. Den totala fotogenereringseffektiviteten $\phi (E)$ kan ges av

$\phi (E)=\phi _{0}\int p(r,\Theta ,E) g(r,\Theta )d^{3}r$

$d^{3}r$ är ett volymelement, $\phi$ är det primära kvantutbytet, $p(r,\Theta ,E )$ är sannolikheten att ett hålelektronpar separerat med ett avstånd $r$ i en vinkel $\Theta$ mot det elektriska fältets riktning $E$ , $g(r,\Theta )$ är den rumsliga fördelningsfunktionen mellan joner.

Effektiv injicering av laddning i skiktet spelar en viktig roll i driften med ett fotogenereringsskikt.

Under kvasi-steady state-förhållanden kan det skrivas med den flytande ekvationen:

${\textstyle {\frac {dn}{dt}}=\phi I-\gamma _{r}n^{2}-\gamma _ {i}n\thickapprox 0}$

$\phi I$ är hastigheten för de infallande fotoner som absorberas i fotogenereringen, $\gamma _{r}n^{2}$ är hastigheten för densiteten av fria bärare i genereringsskiktet reducerade genom rekombination, $\gamma _{i}n$ är injektionshastigheten.

Förutsatt att laddningarna korsar gränssnittet inte kommer tillbaka, kan fotoinjektionseffektiviteten $\Upsilon$ definieras som

${\displaystyle \Upsilon ={\frac {\gamma _{i}n}{I}}=\delta [(1 +{\frac {2\phi }{\delta }})^{\frac {1}{2}}-1)]} , när δ$ = $displaystyle \delta =\ gamma _{i}^{2}/2I\gamma _{r}}$

(i) För en stor $\delta$ eller låga rekombinationshastigheter, $\Upsilon =0$ , i vilket fall fotoinjektionseffektiviteten bestäms av genereringseffektiviteten.

(ii) För en liten $\delta$ eller höga rekombinationshastigheter, $\Upsilon =(2\delta \phi )^{\frac {1}{2} }$ och fotoinjektionseffektiviteten kommer att bero på injektionshastigheten, $\gamma _{i}$ .

Avgiftstransport

Laddningstransport kan definieras som den process där fotogenererad laddning i fotoledare injiceras i transportmaterialet. När laddningar injiceras kommer laddningar att migrera genom mediet och sedan nå den motsatta elektroden. I denna process involverar elektroner eller hål eller båda, "hoppning", till exempel, en sekvens av överföringar av laddningar mellan lokaliserade platser. Dessa lokaliserade platser är förbundna med individuella funktionella grupper eller segment av polymerkedjan.

I allmänhet hålinjicering, eller överföring av hål till transportmediet. Denna process kan betraktas som ett oxidationssteg där katjonradikaler alstras. Samtidigt är elektroninjektion en reduktionsprocess.

Baserat på egenskaperna för laddningstransport uppfyller de fotoledande polymererna vanligtvis en av funktionerna:

(1)Fotoledande polymerer är σ-konjugerade.

(2)Fotoledande polymerer har ett utökat π-elektronsystem i ryggradens hängande till kedjan.

Dessa funktioner garanterar omlokalisering och stabiliserar transportavgiften.

Laddningsfångning

Laddningsfångning är en viktig process, där migrerande laddningar kan immobiliseras i fällplatser. Om fällorna är "grunda" kan de kallas "transportinteraktiva". Hålfångande material har vanligtvis lägre oxidationspotential och fungerar som värdtransporterande material. Starkare elektronacceptorer har bättre förmåga att fånga transportelektroner.

Laddningar kan immobiliseras av redox-irreversibla sidoreaktioner på grund av geminate rekombination och rekombination av bärare i kretsen. I denna process kan laddad del illustreras med schemat:

(a) Laddningsimmobilisering på grund av en redox-irreversibel bireaktion

(a) Redoxstegen för att uppnå fällfri migrering av ett hål som involverar neutrala grupper M och laddade grupper M+

(b) Laddningsimmobilisering på grund av en redox-irreversibel bireaktion

(b) Den intermittenta arten M _j⁺ kan genomgå två typer av processer:

(i) Migrationen av elektron från Mk _kommer att resultera i att Mj _bildas från _Mj⁺

(ii) M _j⁺ genomgår en sidoreaktion som leder till en laddad art X ⁺ som inte kommer att byta ut laddningen ytterligare med den närliggande gruppen M.

Experimentella tekniker

Allmän introduktion

Det finns några parametrar i fotokonduktiva polymerer: kvanteffektivitet för fotogenerering $\phi$ , bärarmobiliteten $\mu$ och injektionseffektiviteten $\Upsilon$ . Dessa parametrar kan inte fås i steady-state mätningar, $\phi$ och $\mu$ är mycket viktiga parametrar i uttrycket av fotokonduktivitet, de erhålls från oberoende experiment.

Transienttekniker, time-of-flight (TOF) och xerografisk urladdning är konventionella transienttekniker som används för att bestämma parametrarna för fotokonduktiva polymerer. Och de måste alla göras under icke-injicerande kontakter.

Experimentell bestämning av laddningsbärares rörlighet

Laddningarna kommer att genereras i den region som stängs mot elektroden där infallande foton absorberas. För att undvika de migrerande laddningarna som en strömpuls har RC ett mindre värde än ${t_{Tr}}$ (RC< ${t_{Tr}}$ , R: resistans, C: kapacitans och ${t_{Tr}}$ : laddningstiden för laddningarna). Signalen är en rektangel med en amplitud $i_{0}$ utan överdriven laddningsspridning och kan uttryckas enligt nedan:

${\displaystyle i_{0}={\frac {e\phi N}{t_{Tr}}}} ,$ där $e$ är den elektroniska laddningen och N är talet av absorberade bilder

Och strömmen kommer att nära 0 när laddningarna når elektroden, så bärarmobiliteten kan uttryckas som nedan:

$\mu ={\frac {L}{Et_{Tr}}}$ , där $L$ är filmens tjocklek.

I den xerografiska tekniken spelar den koronadeponerade laddningen samma roll som den halvtransparenta elektroden. Potentialskillnaden övervakas av en kopplad sond. I avsaknad av laddningsfångning har hastigheten för potentiell avklingning formen:

${\displaystyle {\frac {dV}{dt}}{\boldsymbol {}}\in {\frac {I'\phi }{C}}} , där C$ { $displaystyle C}$ är kapacitans och $I'$ är antalet absorberade fotoner per ytenhet och tidsenhet.

Genom att mäta potentialens avklingningshastighet kan $\mu$ respektive $\phi$ erhållas.

Ansökningar

Den fotokonduktiva polymeren har framgångsrikt använts i Xerography och laserskrivare. De använde den skiktade organiska fotokonduktiva polymeren med ett polymert laddningstransportskikt. Laddningstransportskiktet är en solid lösning jämfört med andra skrivare som vanligtvis använder flytande kemikalier i tryckprocessen. De huvudsakliga fördelarna med organisk fotokonduktiv polymer är (i) nära IR-känslighet (ii) pankromaticitet (iii) flexibilitet för applikation (iv) enkel tillverkning (v) låg kostnad. För närvarande är den bästa organiska fotokonduktiva polymeren lika känsliga som de oorganiska enheterna baserade på selen.

Det finns en viss potentiell tillämpning i fotovoltaiska celler. Gränsen för denna ansökan är att fotokonduktiv polymer inte har hög omvandlingseffektivitet.

Vissa möjliga tillämpningar rapporteras bara av litteraturen men inga kommersiella produkter. De är fototermoplastisk avbildning, holografisk inspelning och optiska omkopplingsanordningar.

Xerografi

Xerografi eller elektrofotografi är en fotokopieringsteknik. Dess grundläggande princip uppfanns av Chester Carlson 1938 och utvecklades och kommersialiserades av Xerox Corporation, som används för högkvalitativa utskrifter. Till att börja med kallades tekniken elektrofotografi, sedan döptes den om till xerografi. I traditionella reproduktionstekniker är flytande kemikalier involverade i tryckprocessen. Xerografi använder fotokonduktiv polymer som grundmaterial, vilket är fasta kemikalier.

Carlsons innovation kombinerade elektrostatiskt tryck med fotografi, till skillnad från den elektrostatiska tryckprocessen som uppfanns av Georg Christoph Lichtenberg 1778. Carlsons ursprungliga process kräver flera manuella bearbetningssteg med platta plåtar. Det tog nästan 18 år innan en helautomatiserad process utvecklades, det viktigaste genombrottet var användningen av en cylindrisk trumma belagd med selen istället för en platt platta. Detta resulterade i den första kommersiella automatiska kopiatorn (Xerox 914) 1960.

Före 1960 hade Carlson föreslagit sin idé till mer än ett dussin företag, men ingen var intresserad. Xerografi används nu i de flesta kopieringsmaskiner, laser- och LED-skrivare.

Laserskrivare

Laserutskrift är en elektrostatisk digital utskriftsprocess. Den producerar högkvalitativ text och grafik genom att upprepade gånger skicka en laserstråle fram och tillbaka över en negativt laddad cylinder som kallas en "trumma" för att få en laddad bild. Trumman kan selektivt samla upp elektriskt laddat pulveriserat bläck (toner) och överföra bilden till papper.

Som digitala kopiatorer använder laserskrivare en xerografisk utskriftsprocess. Laserutskrift skiljer sig dock från analoga kopiatorer. Eftersom bilden produceras genom direkt scanning av mediet över skrivarens fotoreceptor, vilket gör att laserutskrift kan kopiera bilder snabbare än de flesta kopiatorer.

Den första laserskrivaren uppfanns av Xerox PARC på 1970-talet. Laserskrivare introducerades för kontoret och sedan hemmamarknaderna under de följande åren av IBM , Canon , Xerox, Apple, Hewlett-Packard och andra. Under decennierna har kvaliteten och hastigheten ökat i takt med att priset faller, och de en gång banbrytande utskriftsenheterna är nu överallt.

Se även