We report the deposition of gold nanoparticles into arrays of surface nanopores obtained from hexagonally ordered polystyrene-block-poly(4-(tert-butyldimethylsilyl)oxystyrene) (PS-b-PSSi) diblock copolymer films on gold substrate. The deposition occurs spontaneously from aqueous solution and is driven by either electrostatic interactions between the nanoparicles and the surfaces. To this spontaneous deposition, Nanoporous $SiO_2$ Patterned substratae was chemically modified with either positively charged amino SAMs or inert methyl SAMs. The deposition of gold nanoparicles was characterized by atomic force microscopy (AFM). We have observed preferential immobilization of individual nanoparicles onto the amine modified surfaces. The inclusion density and selectivity of nanoparticles deposition onto the surface was found to depend predominantly on the methods through which the nanoporous surfaces were prepared and chemically functionalized.
Organic conductive polymers (CPs) are promising candidates for next-generation thermoelectric (TE) materials due to their light weight, simple processability, and environment-friendly characteristics. Moreover, their low thermal conductivity provides an effective strategy to improve TE performance. Among numerous CPs, poly(3,4-ethylenedioxythiophene):poly(styrenesulfonate) (PEDOT/PSS) is one of the promising candidates for TE materials due to its advantages of high electrical conductivity, low thermal conductivity, light weight, and high flexibility. Nevertheless, CPs-based TE materials are still considered to be deficient due to their lower Seebeck coefficient compared to inorganic TE materials.
First, we demonstrate that the TE performance of PEDOT/PSS films can be improved by using self-assembled monolayers (SAMs) of a NH2-terminated silane, APTMS. APTMS can not only control the hole carrier concentration to enhance the Seebeck coefficient, but it can also rearrange the orientation of PEDOT chains to improve the charge transport pathways. The highest power factor of PEDOT/PSS films with APTMS SAMs reaches about $86.6 \muW m-1K-2$, which is a threefold enhancement compared to that of a pristine PEDOT/PSS film without SAMs. This work provides a new procedure to control the Seebeck coefficient and reorientation of PEDOT chains by using the amine-terminated SAMs. Furthermore, we expect that this procedure can contribute to the fabrication of organic-based, highly flexible, high-performance TE device modules.
Secondly, we propose a simple method to enhance the TE performance of PEDOT/PSS films by coating on self-assembled monolayers (SAMs) with NH2-terminated silanes, APTMS. The NH2 groups of SAMs can control the carrier concentration by capturing holes in PEDOT chains with the lone pair electrons of the amine groups. Moreover, in order to maximize the effects of SAMs on the TE performance, the thicknesses of PEDOT/PSS films were successfully controlled by simple blending ethanol to PEDOT/PSS solution. Through the thickness optimization, the power factor of PEDOT/PSS films with SAMs increased threefold than that of pristine PEDOT/PSS film without SAMs. We also fabricated a flexible TE device module consisting of PEDOT/PSS legs on the ATPMS-treated flexible substrate and investigated its feasibility for practical application.
< 실리콘 함유하는 블록공중합체를 이용한 나노 입자의 패터닝 공정>
자기조립 성질을 가지고 있는 블록공중합체는 구, 실린더, 혹은 층상과 같은 다양한 형태의 나노 구조를 형성시키는데 유용한 물질이다. 화학적 또는 지형적 템플리트를 사용하는 블록공중합체 나노 리소그래피의 경우 효과적인 나노 패터닝 방법을 제공할 뿐만 아니라, 장 범위 정렬에 대한 자기조립 패턴 제어를 가능케 한다. 본 연구에서는 실리콘을 함유한 블록공중합체를 이용하여 한 기판에 금과 이산화 규소를 동시에 형성시켜 서로 다른 성질을 가지는 패턴을 형성시켰다. 또한 각각의 물질에 반응하는 자기조립 단분자막을 용액공정으로 통해 형성시킴으로써, 표면에 도입된 기능기와 정전기적 인력을 이용하여 나노 입자 패터닝 연구를 수행하였다. 이는 나노 기술에 이용할 수 있는 센서나 디바이스로의 응용성을 가지고 있다.
< 화학 처리에 의한 PEDOT / PSS 필름의 향상된 열전 성능>
열을 전기로 변환하는 열전 기술은 에너지 문제를 해결하기 위한 친환경적 방법으로 주목 받고 있다. 기존의 무기물계 반도체 물질은 열전 효율이 높지만, 물질의 유독성, 희소성, 높은 공정비용 등의 한계를 가지고 있다. 전도성 고분자는 간단한 가공성, 친환경적 낮은 열전도율 열전 성능을 향상시키기 위해 효과적인 전략을 제공한다. 열전 소재의 성능은 열전성능 지수는 $ZT=S^2\sigma/k$로 표현되는데, PEDOT / PSS는 높은 전기 전도도, 낮은 열전도도, 경량, 및 높은 융통성의 장점으로 유망한 열전 물질로 꼽힌다. 하지만 전도성 고분자 기반 열전 물질은 여전히 무기 열전 재료에 비해 낮은 지벡 계수로 인해 열전 성능이 낮아, 이를 개선하기 위한 대안을 제시하였다.
첫번째로, PEDOT / PSS 필름에 아민기를 기능기로 갖는 자기조립 단분자막을 계면에 도입하여 열전 성능을 향상 시킬 수 있는 방법을 제안한다. 이는 아민기의 비공유전자쌍은 필름내의 홀과 결합을 통해 캐리어 농도를 제어하여 지벡계수를 향상시켰다. 또한 자기조립 단분자막은 절연체 역할을 하는 PSS사슬의 막 표면으로부터 재정렬을 유도하여 열전 성능이 약 $86.6 \muW m^{-1}K^{-2}$으로 향상되었다. 이 방법은 유연소자에서도 구현할 수 있어, 유연성이 높은 고성능 열전 제조에 공헌 할 수 있다고 기대된다. 두번째로, 비공유 전자쌍을 가지고 있는 아민 기반 물질을 이용하여PEDOT / PSS 필름의 성능을 향상 할 수 있는 간단한 방법을 제안한다. 아민기를 가진 DETA 증기를 노출 시킴으로써 캐리어 농도를 조절하였으며, 또한 간단히 수용액 상에 담궈주는 공정을 통해 과량의 PSS를 제거시킬 수 있어 of $81.9 \muW m^{-1}K^{-2}$의 성능 향상을 보였다. 이 공정을 통해 다양한 기판에 전사할 수 있어 폭 넓은 응용 분야로 적용할 수 있을 것으로 기대한다.
