Thin Transparent Conducting Films. based on Core Shell Latexes

Transcriptie

1 Rijksuniversiteit Groningen Thin Transparent Conducting Films based on Core Shell Latexes Proefschrift ter verkrijging van het doctoraat in de Wiskunde en Natuurwetenschappen aan de Rijksuniversiteit Groningen op gezag van de Rector Magnificus, dr. D.F.J. Bosscher, in het openbaar te verdedigen op vrijdag 23 juni 2000 om uur door Franciscus Maria Huijs geboren op 31 mei 1971 te Wageningen

2 Promotor: Prof. Dr. G. Hadziioannou Beoordelingscommissie: Prof. Dr. G. ten Brinke, Rijksuniversiteit Groningen Prof. Dr. J. Lang, Institut Charles Sadron, Straatsburg Prof. Dr. U. Steiner, Rijksuniversiteit Groningen ISBN

3 Je hebt zo'n 26 duizend dagen, Tussen niets en eeuwigheid. Je kunt lachen, je kunt klagen, Maar elke dag ben je voor eeuwig kwijt. Klein Orkest dagen

4 This research was sponsored by The Netherlands Ministry of Economic Affairs within the framework of the Innovation Directed Research Program (IOP Oppervlaktetechnologie, IOT 95001). Printed by: Universal Press, Veenendaal, The Netherlands Copyright 2000 by F.M. Huijs All rights reserved No part of this material protected by this copyright notice may be reproduced or utilized in any form or by any means, electronic or mechanical, including photocopying, recording or by any information storage and retrieval system, without permission from the author.

5 Dankwoord Eigenlijk is het vreemd. Het is de bedoeling dat in een proefschrift vernieuwende dingen beschreven worden, maar ondertussen is één van de meest voorspelbare onderdelen, het dankwoord, wel direct het meest gelezen onderdeel. Dat het daar dan ook vaak bij blijft is niet terecht. In de afgelopen jaren heb ik iedereen die het maar horen wilde proberen uit te leggen dat mijn promotieonderzoek niet ingewikkeld is en dat de essentie door iedereen begrepen kan worden. In de rest van dit proefschrift heb ik een poging gedaan om alles nog een keer op een rijtje te zetten. Ik hoop dat iedereen tenminste zal proberen om meer van dit proefschrift te lezen dan het dankwoord en de levensloop. Ondanks het feit dat een dankwoord niet vernieuwend is, heeft het wel een duidelijke functie. Om een promotieonderzoek goed uit te kunnen voeren zijn namelijk veel mensen nodig, meer mensen dan in dit dankwoord met naam genoemd zullen worden. Iedereen die in enige mate heeft bijgedragen wil ik dan ook bedanken voor zijn of haar aandeel, slechts enkelen zal ik met name noemen. Voor mijn promotieonderzoek heb ik op drie verschillende instellingen kunnen werken. Dat betekent dat ik ook op drie verschillende plaatsen bazen heb gehad. Als eerste baas wil ik mijn promotor Georges Hadziioannou bedanken. Ondanks het feit dat ik maar af en toe lijfelijk op de Rijksuniversiteit Groningen aanwezig ben geweest zou dit onderzoek niet mogelijk zijn geweest zonder zijn hulp en inzet. Twee andere bazen waaraan ik veel dank verschuldigd ben zijn Barteld de Ruiter en Frank Vercauteren van TNO Industrie. Dat dit onderzoek vanaf het eerste moment resultaten opgeleverd heeft, is voor een groot gedeelte hun verdienste. Dat Belgen buiten kenners van de exacte spelling van de Nederlandse taal ook uitstekende hoofdrekenaars zijn heeft Frank in de afgelopen paar jaar meer dan eens overtuigend bewezen. Ook de levendige discussies heb ik altijd erg op prijs gesteld en ik ben dan ook blij dat we nu als echte collega s verder samen kunnen werken. Je tiens à exprimer ma profonde reconnaissance à Monsieur le Professeur Jacques Lang à l Institut Charles Sadron pour m avoir accueilli dans son laboratoire et me permettant ainsi de réaliser une belle experiénce scientifique et humaine. Het werken op drie locaties heeft ook tot gevolg dat je heel veel collega s hebt, die met wijze raad en/of daad terzijde gestaan hebben, eigenlijk te veel om op te noemen. Enkele van deze mensen wil ik nog eens extra bedanken:

6 (i) bij TNO: Jacco Eversdijk voor zijn hulp en advies bij alle syntheses, Gert van Heck voor het bouwen van alle apparaten en het schrijven van de meetprogramma s, Marius de Goeje en Roland van de Leur voor hun geduldige uitleg en hun pogingen om een niet-fysicus in te wijden in de wereld van geleiding en weerstand; (ii) bij de RuG: natuurlijk Paul van Hutten, mijn steun en toeverlaat in Groningen die altijd binnen een dag antwoord geeft op alle mogelijke vragen en die ook bij het corrigeren van dit proefschrift en andere geschreven teksten een onmisbare bijdrage heeft geleverd, de heren Kalicharan, Stokroos, van der Want en Nijland voor de vele en goede foto s van de latices en films. Ruby wil ik met name bedanken voor het engelengeduld waarmee hij de coupes gesneden heeft, voor dit vakwerk heb ik diepe bewondering; (iii) mijn kamergenoten in Delft, Groningen, Straatsburg en Eindhoven. Omdat er altijd meer ideeën zijn dan er tijd is, ben ik blij dat ik hulp heb gehad van een drietal HLO studenten. Herman Reezigt was al als nieuwe particle doctor bezig met het verbeteren van de omhulling van de latexdeeltjes en ik weet zeker dat veel van hetgeen in hoofdstuk 2 is beschreven voor hem bekende kost zal zijn. Kornel Hoekerd was nauwelijks bij TNO begonnen, of ik ging al een half jaar naar Straatsburg. Toch heeft hij een grote bijdrage geleverd aan het verbeteren van de colloïdale stabiliteit van de latex. Hiervoor, en zeker ook voor de regelmatige hulp bij computerproblemen thuis en op het werk, wil ik hem bedanken. Aan het eind van het onderzoek wilden we ook nog graag transparante, geleidende films bij kamertemperatuur maken. Hieraan heeft Joyce van Zanten een grote bijdrage geleverd en zij heeft dan ook gezorgd voor een groot deel van de resultaten die beschreven zijn beschreven in hoofdstuk 5. Op een dag eindigt het en dan heb je mensen nodig die je als paranimf terzijde willen staan. Met Ietske en Arno ben ik ervan overtuigd dat ik zowel tijdens als na afloop van de verdediging verzekerd ben van de best mogelijke ondersteuning. Tot slot zijn er mensen waarvoor alle woorden in dit proefschrift toch nog niet genoeg zijn om ze voor hun steun te bedanken. Pa en ma en Marjon: Bedankt!

7 Contents 1 Introduction Intrinsically Conducting Polymers Charge carriers in ICPs Measurement of conductivity Transparent intrinsically conducting films Pure ICP systems Composite systems Outline of the thesis References 15 2 Preparation of conducting core shell latexes Introduction In-situ polymerization of ICPs in the presence of a latex Introduction Formation of a PEDT shell (NH4)2S2O8 as the oxidant Ce(SO4)2 as the oxidant Formation of a PPy shell (NH4)2S2O8 as the oxidant Fenton s reagent as the oxidant Colloidal stabilization of the latex Added stabilizers Acidic groups on the surface Conclusions Experimental References 41 3 Influence of the PPy shell thickness on film formation Introduction Latex film formation process Development of the transparency Influence of the amount of stabilizer Dependence on wavelength Influence of the thickness of the polypyrrole shell Development of the film surface roughness Deformation of the latex particles in the bulk film Conclusions Experimental References 64

8 4 Influence of the temperature on film formation Introduction Development of the PBMA chain interpenetration Development of the film surface roughness Comparison between interparticle chain migration and film flattening Development of the film transparency Conclusions Experimental References 85 5 Latex film formation at room temperature Introduction Film formation of blends with low-tg latexes Film formation of encapsulated latexes with a low-tg inner shell Film formation of encapsulated latexes with coalescing aids Conclusions Experimental References Conductance of transparent latex films Introduction Influence of the PPy shell thickness Influence of the annealing temperature Influence of the counter anion Influence of the type of core latex and the method of heat treatment Influence of the annealing atmosphere Resistance of films prepared with coalescing aids Conclusions Experimental References 123 Summary 125 Samenvatting 129 Levensloop 133