Systematic characterization of the ageing process of PEDOT. Correlation between chemical and electronic degradation

Poly(3,4-ethylenedioxythiopene)(PEDOT) is the conductive polymer attracting the most attention from researchers in the last years, as its electronic, mechanical and chemical properties allow its application in several fields, from biomedicine to thermoelectricity. Being insoluble, completely dry techniques are necessary for thin films’ deposition; among these, oxidative Chemical Vapor Deposition (oCVD) has received a lot of interest in the recent past. Its main drawback is, however, the employment of oxidants, FeCl3 in this work, that are unstable under atmospheric condition. The same oxidants also act as dopant in the deposited thin film, doping being necessary for PEDOT to show metallic properties. The long-term stability of these films has never been subject of an in-depth study, a necessity for the application in devices with an extended life expectancy. This work aims to find the best deposition conditions for oCVD PEDOT and to characterize with a systematic approach its electronic and chemical properties in a time frame of 90 days, finding their cause-effect correlations. The influence of two different process parameters (oxidant temperature and carrier gas flow rate) is studied, in parallel with the one of a post-deposition rinsing cycle and of storage in oxidative atmosphere (air) and neutral atmosphere (argon). The electronic performance of the samples is evaluated through sheet resistance measurements and its evolution is correlated to their chemical properties which are investigated via Raman spectroscopy.

Il poly(3,4-ethylenedioxythiopene)(PEDOT) è il polimero conduttore che ha attirato di più l’attenzione dei ricercatori negli ultimi anni, sicchè le sue proprietà elettriche, meccaniche e chimiche ne permettono l’applicazione in diversi campi, dalla biomedicina alla generazione di energia termoelettrica. Data la sua insolubilità, la deposizione di film sottili è particolarmente complicata e richiede tecniche che non facciano uso di solventi; tra queste la oxidative Chemical Vapor Deposition (oCVD) ha ricevuto molto interesse nel recente passato. La sua falla più grande, tuttavia, è quella di necessitare di agenti ossidanti, FeCl3 in questo lavoro, i quali agiscono anche, una volta completata la deposizione, come dopanti all’interno del film sottile, una necessità se si vuole ottenere PEDOT dal carattere metallico. La longevità di questi sistemi molto complessi non è mai stata studiata nel dettaglio, nonostante sia fondamentale conoscerla se si vuole procedere con l’applicazione del materiale in dispositivi con un’aspettativa di vita medio-lunga. Questa tesi si pone l’obiettivo di trovare le condizioni migliori per la deposizione di film sottili di PEDOT tramite oCVD e di procedere a una caratterizzazione sistematica delle proprietà elettriche e chimiche del materiale in una finestra di tempo di 90 giorni, trovando i rapporti causa-effetto che le legano. L’influenza di due parametri di processo (temperature dell’ossidante e flusso del gas di trasporto), in parallelo con quella dell’applicazione di un ciclo di lavaggio post-deposizione e di stoccaggio in atmosfera ossidante (aria) e neutra (argon). La performance elettrica dei campioni è valutata tramite la misurazione della resistenza superficiale ed è correlata alle proprietà chimiche, misurate a loro volta tramite spettroscopia Raman.