Efeitos de carga espacial em filmes finos de polipirrol

Abstract

O polipirrol (PPy) é um polímero condutor obtido por polimerização oxidativa do pirrol. Esse polímero é um metal sintético orgânico modelo, exibindo condução elétrica que pode ser ajustada de acordo com o processo de polimerização. A presente dissertação teve como finalidade investigar as propriedades elétricas de junções verticais baseadas em nanomembranas enroladas e que possuem filmes finos de PPy como elementos ativos. As estruturas ativas foram polimerizadas pela rota química e suas propriedades elétricas foram analisadas em função da tensão elétrica, da espessura e da temperatura. Além disso, como uma prova de conceito, o dispositivo utilizado no estudo foi aplicado como componente fotossensível, sendo então suas propriedades explicadas com base nos conhecimentos adquiridos durante a etapa de caracterização elétrica. O formalismo de condução limitado por carga espacial com distribuição exponencial de armadilhas foi utilizado, tornando possível a obtenção de parâmetros característicos do sistema, como área de injeção efetiva dos contatos elétricos, condutividade elétrica e densidade de armadilhas nos filmes. Suplementando as investigações das propriedades elétricas, medidas de espectroscopia de fotoelétrons excitados por raios X revelaram uma maior desordem e um menor nível de dopagem no substrato de crescimento do PPy. Finalmente, os resultados deste trabalho, além de verificar a aplicabilidade desse material na geração de fotocorrente, ajudaram a elucidar a condução em materiais compostos por PPy. O entendimento do transporte eletrônico em tais materiais na nanoescala evidencia as vantagens de homojunções para novas aplicações funcionais de polímeros condutores, abrindo caminho para futuras fotoaplicações, como dispositivos fotoeletroquímicos, células solares e aplicações na redução de água.

Polypyrrole (PPy) is a conductive polymer obtained by the oxidative polymerization of pyrrole. This polymer is a model organic synthetic metal exhibiting electrical conductivity that can be adjusted during the polymerization process itself. This dissertation aimed to investigate the electrical properties of nanomembrane-based vertical junctions featuring thin PPy films as active elements. The active structures were polymerized by chemical route, whereas their electrical properties were analyzed as a function of voltage, film thickness, and temperature. Furthermore, as a proof of concept, the PPy device was applied as a photosensitive component, whose properties were explained in light of the knowledge acquired during the electrical characterization step. The space-charge limited conduction formalism with exponential trap distribution was employed, providing us with characteristic parameters of the system, such as effective injection area of electrical contacts, electrical conductivity, and trap density in the films. Supporting the electrical property investigation, X-ray photoelectron spectroscopy measurements revealed a greater disorder and a lower level of doping in the PPy growth substrate. Finally, the results of this work, in addition to verifying the applicability of this material in photocurrent generation, helped to elucidate the conduction in materials composed of PPy through the understanding of electronic transport at the nanoscale. Our findings pave the way for new functional applications of conductive polymers, by taking advantage of homojunction structures as well as targeting photoapplications such as photoelectrochemical devices, solar cells, and applications in water reduction.