Fabrication, characterization and optoelectronic properties of polymer-based nanocomposites

Abstract

Στις μέρες μας, παρουσιάζεται σημαντικό ενδιαφέρον στην εξέλιξη του τομέα των οπτοηλεκτρονικών εφαρμογών, συμπεριλαμβανομένων των τηλεπικοινωνιών, των ιατρικών οργάνων, του βιομηχανικού εξοπλισμού, των συστημάτων παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας, των επικοινωνιών μέσω οπτικών ινών, των ηλεκτρονικών ειδών ευρείας κατανάλωσης και άλλων. Εξαιτίας αυτού, η μελέτη, ο σχεδιασμός, η κατασκευή και ο χαρακτηρισμός νανοσύνθετων υλικών βασισμένων στα πολυμερή, τα οποία να χαρακτηρίζονται από εξαιρετικές οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες, ενώ παράλληλα να τυγχάνουν εύκολης κατεργασίας, να είναι οικονομικά και αποδοτικά, βρίσκεται στο επίκεντρο των ερευνητικών δραστηριοτήτων της επιστήμης των υλικών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει επικεντρωθεί κυρίως στην παρασκευή και χαρακτηρισμό νανοσύνθετων πολυμερικών ινών με συνδυασμό πολυμερών με ανόργανα ή οργανικά-ανόργανα νανοσωματίδια μέσω της τεχνικής της ηλεκτρόκλωσης, με προοπτική χρησιμοποίησής τους σε διάφορες οπτοηλεκτρονικές εφαρμογές. Για το σκοπό αυτό, έχουν διερευνηθεί διάφοροι τύποι πολυμερών (αγώγιμα, μονωτές, πολυηλεκτρολύτες), μεταξύ των οποίων το σουλφονικό πολυστυρένιο πολυ(3,4-αιθυλενοδιεξυθειοφαίνιο) (PEDOT: PSS), πολυ(4-στυρενικό σουλφονικό νάτριο) (PSS), πολυ(3-εξυλοθειοφαίνιο-2,5-διϋλ) (P3HT), πολυ(μεθακρυλικό μεθύλιο) (PMMA), οξική κυτταρίνη (CA), οξείδιο του πολυαιθυλενίου (PEO), πολυβινυλοπυρρολιδόνη (PVP) και πολυ(4-βινυλοπυριδίνη-κο-βουτυλομεθακρυλικό) (P4VPBuMA). Σε συνδυασμό με τα πιο πάνω χρησιμοποιήθηκαν επίσης διάφοροι τύποι νανοσωματιδίων, συμπεριλαμβανομένων των μπλε και πράσινων φωσφορίζουσων κβαντικών κουκκίδων γραφενίου (b-GQDs και g-GQDs), οργανικών-ανόργανων νανοκρυστάλλων περοβσκίτη αλογονιδίου μολύβδου (LHP NCs) (FAPbBr3) και των ανόργανων κβαντικών κουκκίδων περοβσκίτη αλογονιδίου μολύβδου (LHP QDs) (CsPbBr3). Ως εκ τούτου, τέσσερα από τα πέντε πειραματικά κεφάλαια της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι αφιερωμένα σε πρωτότυπα πειραματικά σενάρια που αναπτύσσονται για πρώτη φορά. Αναλυτικότερα, ο οργανικός ημιαγωγός PEDOT:PSS συνδυάστηκε με το PSS - έναν κατιοντικό πολυηλεκτρολύτη - προκειμένου να αναπτυχθούν ημιαγώγιμες ίνες του τύπου PEDOT:PSS@PSS με τη μέθοδο της ηλεκτρόκλωσης. Επιπρόσθετα, το PSS επιλέχθηκε να συνδυαστεί με b-GQDs και g-GQDs προκειμένου να κατασκευαστούν και να χαρακτηριστούν νανοσύνθετες ίνες που περιέχουν GQDs με υψηλής εκπομπής. Κατασκευάστηκαν επίσης και χαρακτηρίστηκαν νανοσύνθετες ίνες που περιείχαν νανοκρυστάλλους περοβσκιτών ακολουθώντας δύο πειραματικές μεθοδολογίες. Η πρώτη αφορούσε την παρασκευή και χαρακτηρισμό νανοσύνθετων ινών PMMA στις οποίες ενσωματώθηκαν οργανικοί-ανόργανοι LHP NCs του τύπου FaPbBr3. Η δεύτερη αφορούσε τον συνδυασμό ανόργανών LHP (CsPbBr3) με πολυμερικές ίνες του τύπου P3HT/PEO. Επιπλέον, στο κεφάλαιο επτά παρουσιάζεται μια νέα πρόταση που αφορά στον σχεδιασμό του στατικού μεταλικού στατικού συλλέκτη με κυματοειδή γεωμετρία που οδηγεί στην ανάπτυξη εξαιρετικά ευθυγραμμισμένων ινών εξετάζοντας τρία συστήματα πολυμερών (PVP, P3HT/PEO και P4VPBuMA). Επιπλέον, η παρούσα διδακτορική διατριβή επικεντρώθηκε στην κατασκευή και τον χαρακτηρισμό εξαιρετικά σταθερών οργανικών-ανόργανων υβριδικών νανοκολλοειδών σε οργανικούς και υδατικούς διαλύτες βασισμένων σε ιρίδιο και χαλκό, τα οποία στην συνέχεια μελετήθηκαν σε μορφή διαλυμάτων ως προς την μη γραμμική οπτική τους απόκριση. Οι προαναφερθέντες συνδυασμοί υλικών επιτεύχθηκαν με την εφαρμογή ποικίλων πειραματικών πρωτοκόλλων και συνθετικών προσεγγίσεων που οδήγησαν στη δημιουργία νέων νανοσύνθετων υλικών με βάση πολυμερή με υποσχόμενες οπτοηλεκτρονικές ιδιότητες.

Today, there is considerable interest to the evolution in the field of optoelectronic applications, including telecommunications, medical instruments, industrial equipment, electric power generation systems, fiber-optic communication, consumer electronics, and others. Due to this, the study and design, fabrication and characterization of polymer-based nanocomposite materials that have exceptional optoelectronic properties, while also being easy to develop, cost-effective and highly efficient, is at the core of materials science research activities. The present Doctoral Thesis has primarily focused in depth on the study and design of unique material combinations between polymers and/or inorganic or organic-inorganic nanocomponents, as well as their transformation into electrospun nanocomposite fiber analogues and ultimately their characterization. To this end, various types (i.e., conductive, insulating, polyelectrolytes) of polymers were investigated including poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS), poly(sodium 4-styrenesulfonate) (PSS), poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT), poly(methyl methacrylate) (PMMA), cellulose acetate (CA), polyethylene oxide (PEO), polyvinylpyrrolidone (PVP), and poly(4-vinylpyridine-co-butyl methacrylate) (P4VPBuMA). According to this, various types of nanocomponents was also used, including blue and green luminescent graphene quantum dots (b-GQDs; and g-GQDs), organic-inorganic lead halide perovskite nanocrystals (LHP NCs) (FAPbBr3) and all-inorganic lead halide perovskite quantum dots (LHP QDs) (CsPbBr3). Therefore, four experimental chapters of this PhD Thesis are dedicated to original experimental scenarios developed for the first time herein. More specifically, PEDOT:PSS organic semiconductor was combined with PSS - a cation exchange polyelectrolyte - in order to develop PEDOT:PSS@PSS semiconducting fibers using electrospinning method. Furthermore, PSS was chosen to be combined with b-GQDs and g-GQDs in order to fabricate and characterize electrospun fibers containing highly emissive GQDs. In addition, perovskite NCs-sensitized electrospun nanocomposite fibers were fabricated and characterized following two experimental routes. The first one involved the fabrication and characterization of PMMA nanocomposite fibers containing organic-inorganic FaPbBr3 LHP NCs. The second involved the combination of all-inorganic CsPbBr3 LHP QDs with polymeric fibers of the P3HT/PEO type. Moreover, in chapter seven an interesting work regarding the deployment of highly aligned fibers using corrugated metallic static collector based on three polymer systems (i.e., PVP, P3HT/PEO and P4VPBuMA) in electrospinning is also presented. Furthermore, this Doctoral Thesis has subordinately focused on the fabrication and characterization of highly stable colloidal nanohybrids in solution state. In pursuit of this goal, the synthesis, characterization and nonlinear optical response of polymer-stabilized inorganic nanohybrids based on PSS/copper-based nanoparticles and PVP/iridium-based nanoparticles was implemented and presented. The aforementioned material combinations have been achieved by implementing diverse experimental protocols and synthetic approaches that leading to the creation of new polymer-based nanocomposites with promising optoelectronic properties.