Conductivity and Activation Energy in Polymers Synthesized by Plasmas of Thiophene

Ma. Guadalupe Olayo,¹ Guillermo J. Cruz,^1* Salvador López,¹ Juan Morales,² and Roberto Olayo²

¹ Departamento de Física, Instituto Nacional de Investigaciones Nucleares, Apdo. Postal 18–1027, Col. Escandón, México, D.F., C.P. 11801, ^*Responsible author: guillermo.cruz@inin.gob.mx

² Departamento de Física, Universidad Autónoma Metropolitana Iztapalapa, Apdo. Postal 55–534, Iztapalapa, D.F., México, D.F. C.P. 09340.

Received November 19, 2009 ]]> Accepted April 8, 2010

Abstract

The electric conductivity, activation energy and morphology of polythiophene synthesized by radiofrequency resistive plasmas are studied in this work. The continuous collisions of particles in the plasma induce the polymerization of thiophene but also break some of the monomer molecules producing complex polymers with thiophene rings and aliphatic hydrocarbon segments. These multidirectional chemical reactions are more marked at longer reaction times in which the morphology of the polymers evolved from smooth surfaces, at low exposure time, to spherical particles with diameter in the 300–1000 nm interval. Between both morphologies, some bubbles are formed on the surface. The intrinsic conductivity of plasma polymers of thiophene synthesized in this way varied in the range of 10^–10 to 10^–8 S/m; however, the conductivity resulted very sensitive to the water content in the polymers, which produced variations of up to 5 magnitude orders. The activation energy of the intrinsic conductivity was between 0.56 and 1.41 eV, increasing with the reaction time.

Keywords: Plasma, Polymerization, Polythiophene, Conductivity, Activation Energy.

Resumen

En este trabajo se estudia la síntesis por plasmas resistivos a radiofrecuencia de politiofeno, su conductividad eléctrica, energía de activación y morfología. Las continuas colisiones de partículas en el plasma inducen la polimerización del tiofeno pero también rompen algunos anillos del monómero produciendo polímeros complejos con anillos de tiofeno y segmentos de hidrocarburos alifáticos. Estas reacciones químicas multidireccionales son más marcadas en tiempos de reacción largos donde la morfología de las películas evoluciona de superficies lisas, a bajos tiempos de reacción, hasta la formación de partículas esféricas con diámetros de 300 a 1000 nm. Entre ambas morfologías, algunas burbujas se forman sobre la superficie. La conductividad intrínseca de los politiofenos sintetizados de esta manera varía en el intervalo de 10^–10 a 10^–8 S/m, con conductividad sensible a la humedad de los polímeros, la cual produce variaciones de hasta 5 órdenes de magnitud. La energía de activación relacionada con la conductividad intrínseca se calculó entre 0.56 y 1.41 eV, incrementándose con el tiempo de reacción.

Palabras claves: Polimerización, plasma, politiofeno, conductividad, energía de activación.

Aknowledgement

The authors gratefully acknowledge Conacyt for the support to this project under the grant 80735 and Leticia Carapia from ININ Electronic Microscopy Laboratory for her assistance in the SEM analysis.

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