Organic-inorganic hybrid thermoelectric materials by a concept of simultaneous vapor phase infiltration (VPI/SCIP) of polymers by Bi2S3

Abstract

Este trabajo tiene como objetivo diseñar nuevos materiales termoeléctricos (TE) híbridos mediante infiltración en fase vapor (VPI). El origen del VPI reside en la técnica de deposición de capas atómicas o ALD y se basa en el mismo montaje instrumental. Sin embargo, no se aplica a sustratos sólidos sino a sustratos poliméricos, lo que hace que los precursores no sólo se unan a la superficie como en el caso del ALD, sino que también se difundan en el polímero a través de la disolución vapor-sólido. Tras la difusión y la unión, se genera un material híbrido inorgánico-orgánico dentro del polímero. La extensión del área infiltrada en la masa del polímero puede modificarse cambiando los tiempos de exposición, además de poder variar también en función de la difusividad de los precursores dentro del polímero. Por lo que depende tanto de las características del polímero como del precursor. Estas diferencias clave hacen que el VPI sirva para la fabricación de nuevos materiales híbridos. En el presente trabajo hemos creado un nuevo conjunto de materiales híbridos con interfaces orgánicas/inorgánicas unidas covalentemente mediante la hibridación del material inorgánico TE Bi2S3 con los polímeros semiconductores PEDOT: PSS y PANI. El proceso de hibridación se monitorizó in-situ con una microbalanza de cristal de cuarzo (QCM). La monitorización permitió estudiar el proceso de VPI en detalle y controlar cuantitativamente la carga de precursores inorgánicos como el BiCl3 y el H2S en los polímeros, permitiendo así un grado extra de flexibilidad para la mejora de las propiedades del material. La composición química y la estructura de los materiales híbridos resultantes tras varias etapas de infiltración se analizaron con microscopía electrónica de transmisión de alta resolución (HRTEM) y espectroscopia de rayos X de dispersión de energía (EDX). Los resultados mostraron que el VPI proporciona un alto grado de control sobre la distribución de las fases inorgánicas y la composición general de los híbridos mediante el ajuste de los parámetros del proceso, como la temperatura, la presión del penetrante y el tiempo de exposición. Los resultados obtenidos en esta tesis ofrecen nuevas soluciones para la industria de conversión de residuos en energía.

The aim of the present work is to design new hybrid thermoelectric (TE) materials by vapor phase infiltration (VPI). VPI is a process which derives from atomic layer deposition (ALD) and bases on the same instrumental setup. However, it is not applied to solid substrates but to polymeric substrates, which causes that the precursors not only bind to the surface, but also diffuse into the polymer through vapor– solid dissolution. Upon diffusion and binding an inorganic–organic hybrid material is generated inside the bulk of the polymer. The extension of the infiltrated area into the bulk of the polymer can be modified by changing the exposure times, but it also can vary in dependence on the diffusivity of the precursors inside the polymer. Therefore, it is dependent on both the polymer and precursor characteristics. These key differences make VPI for the fabrication of new hybrid materials. In the present work we created such a new hybrid material set with covalently bound organic/inorganic interfaces by hybridization of the inorganic TE material Bi2S3 with the semiconducting polymers PEDOT: PSS and PANI. The hybridization process was monitored in-situ with a Quartz Crystal Microbalance (QCM). The monitoring allowed studying the VPI process in detail and quantitatively controlling the loading of inorganic precursors like BiCl3 and H2S into polymers bulk, thus allowing an extra degree of flexibility for tuning the material properties. The chemical composition and structure of the resulting hybrid materials upon various stages of infiltration was analyzed with high resolution transmission electron microscopy (HRTEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX). The results showed that VPI provides a high degree of control on the inorganic phase distribution and overall composition of the hybrids by tuning the process parameters such as temperature, penetrant pressure, and exposure time. The obtained results offer new solutions for the waste-heat-to-energy industry.