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太原理工大学硕士研究生学位论文

PEDOT交流电沉积制备及其物质输运机理

摘要

物理化学流体动力学是近代流体力学的一个重要分支，主要讨论流体

流动与物理、化学等过程的相互作用关系。在电化学沉积过程中，反应物质

首先要从电解质溶液中输运到电极表面，之后在电极表面发生反应，沉积在

电极表面。在电解质溶液中物质的输运模型主要包括：扩散、电迁移和对流。

当电化学反应的电信号是交流电时，由于电场的不均匀分布，粒子将发生极

化，产生电力矩。在交流不均匀的电场中，极化的粒子将受介电泳力产生运

动。基于物理化学流体动力学理论，本文主要做了以下工作：

1、使用3,4乙烯二氧噻吩（EDOT）与聚(4-苯乙烯磺酸钠（NaPSS）

的混合水溶液为电解液，采用交流电化学聚合沉积的方法，在Pt微电极间

通过调整聚合过程中的电学参数（通过改变电压幅值、频率、直流偏置）等，

制备出具有不同形貌结构（膜状、枝晶状、线状）的聚（3,4乙烯二氧噻吩）：

聚（苯乙烯磺酸）（PEDOT:PSS）结构。使用扫描电子显微镜（SEM）、原子

力显微镜（AFM）和拉曼光谱（RamanSpectra）对其进行表征分析。结果

表明：（1）电压幅值越高，电极上产生相应的成核位点越多。（2）电压频率

影响沉积形成PEDOT:PSS形貌特征，当频率升高时，形貌从膜状变成枝晶

状和线状。（3）直流偏置影响沉积过程的物质生长方向，PEDOT:PSS更倾

向于在正偏压处生长。（4）电压幅值和频率会对PEDOT:PSS分子结构产生

影响。电压幅值增大，频率升高，PEDOT:PSS出现表面凹凸不平、内部形

成孔洞、断链等结构缺陷

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2、采用计时电流法、循环伏安法和交流电化学阻抗谱研究了EDOT单

-

体与PSS在聚合沉积过程中的微流体传质机理。结果表明：（1）EDOT单体

的氧化电位是+0.9V，过氧化电位是+1.2V。（2）聚合沉积的过程中，扩散受

限，电极反应速率受溶液中反应物质传质速率限制。（3）聚合沉积反应过程

-

主要分为两个步骤：1）EDOT单体和PSS物质吸附在电极表面。2）EDOT

-

和PSS在电极表面聚合沉积，形成PEDOT:PSS。（4）电化学聚合沉积过程

与物质在溶液中的传质过程在同一时间常数内，两个过程相互影响。

3、并用COMSOL软件进行仿真模拟，验证输运机理的正确性。利用

溶液中的物质的输运机理，来解释实验现象。结论如下：（1）在电化学聚合

沉积过程中，EDOT单体氧化形成阳离子自由基。阳离子自由基会沿着电场

方向产生电迁移，与其他单体发生反应，会聚合形成二聚体。二聚体继续氧

化聚合，形成低聚物。（2）中性粒子如单体、二聚体和低聚物在不均匀电场

中受到介电泳力的作用，集中在电极对之间的中心区域。（3）当中心区域的

粒子浓度变高，当粒子足够接近，彼此间将通过聚合力形成偶极子。（4）当

电压幅值越大、频率越高，介电泳力，电泳力以及分子将的聚合力将越大，

聚合形成的PEDOT:PSS结构则更加紧密。

4、使用3,4乙烯二氧噻吩（EDOT）与聚(4-苯乙烯磺酸钠（NaPSS）的

混合水溶液为电解液，采用交流电沉积法在Pt微电极对之间制备沉积形成

薄膜、线、枝晶等不同形貌结构的有机半导体（OS）沟道层。以NaCl电解

质作为栅介质，Ag/AgCl电极作为栅极，一对Pt微电极中一个为源极，另

一个为漏极，制备形成有机电化学晶体管（OECT）。对器件性能进行分析，

结果如下：（1）对不同形貌结构的PEDOT:PSS沟道层的OECTs器件性

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能进行分析，结果表明，膜状沟道层器件的性能最好。（2）使用石