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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 10 / Mathematik und Naturwissenschaften  → Institut für Physik  → Technische Physik - Halbleiterphysik, Nanostrukturierung & Analytik  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-1473

Title: Elektrochemo- und mikromechanisches Verhalten elektronisch leitfähiger Polymere
Authors: Roemer, Mario
???metadata.dc.subject.swd???: Intrinsisch leitende PolymereMikrosystemtechnikMikroaktorikPolyanilinePolypyrrole
???metadata.dc.subject.ddc???: 530 - Physik (Physics)
Issue Date: 22-Nov-2004
Abstract: Intrinsisch leitfähige Polymere sind durch eine Reihe materialspezifischer Eigenschaften gekennzeichnet. In Abhängigkeit des angelegten Potenzials und der chemischen Umgebung zeigen sie elektrochromes Verhalten, Veränderungen der Masse, des Volumens und der elektronischen Leitfähigkeit. Basierend auf diesen Eigenschaften eignen sich halbleitende organische Polymere als funktionales Material für Anwendungen in der Mikro- und Nanotechnologie, insbesondere für miniaturisierte chemische Sensoren und Aktoren. Im Gegensatz zu konventionellen Piezo-Aktoren operieren diese Aktoren z. B. bei Spannungen unterhalb 1 V. Diese Arbeit befasst sich mit den elektrochemomechanischen Eigenschaften der ausgewählten Polymere Polyanilin und Polypyrrol, d. h. mit den potenzialkontrollierten Veränderungen des Volumens, der Struktur und der mechanischen Eigenschaften. Bei diesem Prozess werden positive Ladungen innerhalb der Polymerphase generiert. Um die für den Ladungsausgleich benötigten Gegenionen bereitzustellen, werden alle Messungen in Anwesenheit eines wässrigen Elektrolyten durchgeführt. Der Ladungstransport und die Volumenänderungen werden mit den Methoden der zyklischen Voltammetrie, der elektrochemischen Quarzmikrowaage und der Rastersondenmikroskopie untersucht. Signifikante Ergebnisse können für dünne homogene Polymerschichten erhalten werden, wobei Schichtdicken oberhalb 150 nm aufgrund der insbesondere bei Polyanilin einsetzenden Bildung von Fadenstrukturen (Fibrillen) vermieden werden. Von besonderem Interesse im Rahmen dieser Arbeit ist die Kombination der funktionalen Polymere mit Strukturen auf Siliziumbasis, insbesondere mit mikrostrukturierten Cantilevern. Die zuvor erhaltenen Ergebnisse bilden die Grundlage für das Design und die Dimensionierung der Mikroaktoren. Diese bestehen aus Siliziumcantilevern, die eine Elektrodenschicht aus Gold oder Platin tragen. Auf der Elektrode wird mittels Elektrodeposition eine homogene Schicht Polymer mit Schichtdicken bis zu 150 nm aufgebracht. Die Aktorcharakteristik, die Biegung des Cantilevers aufgrund des angelegten Potenzials, wird mit dem aus der Rastersondenmikroskopie bekannten Lichtzeigerverfahren gemessen. Das Aktorsystem wird hinsichtlich des angelegten Potenzials, des Elektrolyten und der Redox-Kinetik charakterisiert. Die verschiedenen Beiträge zum Aktorverhalten werden in situ während des Schichtwachstums untersucht. Das beobachtete Verhalten kann als Superposition verschiedener Effekte beschrieben werden. Darunter sind die Elektrodenaufladung (Elektrokapillarität), die Veränderungen der Elektrodenoberfläche durch dünne Oxidschichten und die Elektrochemomechanik des Polymers.Intrinsic conducting polymers (ICPs) offer a variety of specific properties. Depending on the applied electrical potential and chemical environment they show electrochromism, changes in mass, volume, and electron conductivity. Therefore, semi-conducting organic polymers are suitable for applications in micro- and nanosystem technology, especially for miniaturized chemical sensors and actuators. In contrast to conventional piezo-actuators this class of actuator operates at voltages below 1 V. This work focuses on the electrochemomechanical behavior of two selected ICPs, polyaniline and polypyrrole. Main aspects are their potential driven changes in volume, structure, and mechanical properties. These changes take place in a process based on the generation of positive charges inside the polymer phase. All potential controlled measurements are carried out in aqueous electrolytes, since each charge inside the polymer is compensated by counterions from solution. The process of charge transport and the changes in polymer volume are investigated with cyclic voltammetry, electrochemical quartz crystal microbalance, and scanning probe microscopy. For the mass and volume changes significant results can be obtained in case of thin homogeneous polymer layers. In this PhD thesis the compatibility of ICPs with structures based on silicon, especially microctructured cantilevers, is of particular interest. The obtained results provide the basis for the actual design and dimension of the produced micro actuators. These consist of thin silicon cantilevers carrying electrodes of gold or platinum, coated with uniform polymer layers of less than 150 nm in thickness. The characteristics of the actuators, cantilever bending as function of the applied potential, is measured by the deflection beam method known from scanning probe microscopy. Characterization of the actuator system is done with respect to applied potential, type of electrolyte, and redox kinetics. The different contributions to the actuator systems response are analyzed in situ during film growth, the observed behavior can be described as superposition. The main effects found are electrode charging (electrocapillarity), electrode surface modification by the formation of thin oxide layers, and the electrochemomechanical effect of the polymer.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-1473
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