İyon katkılı hidrojel ? metal kontaklarda elektriksel özelliklerin incelenmesi
Investigation of electrical properties in ion doped hydrogel - metal contacts
Yazar: SEVCAN ERDOĞAN
Danışman: PROF. DR. YAŞAR YILMAZ
İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering

Özet:
Elektronik endüstrisinin gelişmesi ile elektronik aygıtlar, günlük hayatın vazgeçilmez bir parçası haline gelmiştir. Elektronik aygıtların üretiminde kullanılan inorganik yarıiletken malzemelerin işletim maliyetinin yüksek olması, araştırmaları alternatif hammadde arayışına yönlendirmiştir. Bu noktada, organik yarıiletkenler getirdikleri düşük maliyet, geniş ve esnek yüzeylere uygulanabilme, üretim süreçlerindeki kolaylık ve hız gibi avantajlarıyla dikkat çekmektedir. Ayrıca, malzemenin canlı dokulara uyumlu olması da son yıllarda organik devre elemanı çalışmalarının büyük artış göstermesini sağlamaktadır.Plastik malzemeler bugüne kadar elektriksel izolasyon gerektiren her yerde kullanıldıklarından mükemmel birer yalıtkan olarak bilinirlerdi, fakat elektronik ve malzeme biliminde yaşanan gelişmeler ile polimerlerin iletken olabileceğinin bulunması üzerine organik elektronik çalışmaları hız kazanmıştır. Polimer malzemelerin uygulama alanına göre değişiklik gösterebilen iletkenlik mekanizması, konjuge bağlarla elektronlar üzerinden sağlanabileceği gibi, polimer üzerine eklenen metal tozları ya da iyonize olabilen tuzlarla da sağlanabilmektedir.Jeller teknolojik açıdan birçok uygulama alanına sahip olan malzemelerdir. Kuru hallerinde yalıtkan olan jeller, suyu seven çapraz bağlı polimer ağı sayesinde elektroliti fiziksel bir kafes gibi sararak hem mekanik bütünlüğü korumakta, hem de uygulanan elektrik alan altında iyonik iletkenliğin sağlanmasına ortam hazırlamaktadır. Bu tez çalışmasında, monomer olarak akrilamid molekülünün kullanıldığı poliakrilamid jelleri saf su ortamında şişirilmiş ve farklı metallerle kontak edilerek elektriksel özellikleri incelenmiştir. Çalışma süresince kontak elektrodu olarak iki farklı metal kullanılmıştır. Bunlar; kıymetli metal sınıfa giren platin ve %99,5 saflıkta 1050 kalite alüminyum alaşımıdır.Bu çalışmada hidrojel ? metal kontağının akım karakteri 5 V, 10 V, 30 V sabit gerilim altında ve -10 V --> +10 V aralığında gerilim taraması yapılarak incelenmiştir. Alınan elektriksel ölçümlerde, platin elektrotların kullanıldığı simetrik (platin/hidrojel/platin) kontaklarda, akımın her iki yöndeki kutuplamaya aynı cevabı verdiği yani kontağın omik karaktere sahip olduğu görülmüştür. Alüminyum elektrot ile yapılan asimetrik (platin/hidrojel/alüminyum) eklemlerde ise, akımın her iki yöndeki kutuplamaya aynı cevabı vermediği, akım ? gerilim eğrisinin diyot karakteri gösterdiği gözlenmiştir. Bu şekilde elde edilen kontaklar doğrultucu kontak karakterindedir. Alüminyumun farklı davranışının nedeni araştırılmış ve alüminyumun anot olarak kutuplandığı ölçümlerde, alüminyum ile hidrojel arasında gerçekleşen bir etkileşim sonucu alüminyum yüzeyi üzerinde yüksek dirençli, yalıtkan özelliğe sahip oksit tabaka oluşumu gözlenmiştir. Bu tabakanın oluşum nedenleri araştırılmış ve yapılan literatürtaraması sonucunda, anodizasyon adı verilen elektrokimyasal bir işlem ile alüminyum, zirkonyum, titanyum, tantal, niyobyum, hafniyum gibi metaller üzerinde oluşturulan oksit tabakasının, akımı doğrultma özelliğine sahip olduğu görülmüştür.Anodizasyon işlemi adı verilen bu yöntemde, sisteme bir gerilim verilmesi ile elektrolit içindeki iyonların ayrışması ve bu iyonlardan negatif yüklü olan oksijen anyonlarının pozitif kutup olan anoda çekilerek, metal yüzeyinde reaksiyon oluşturması şeklinde açıklanmaktadır. Gerçekleşen reaksiyon sonucu anot metali yüzeyinde oksit tabakası oluşmakta ve bu oksit tabakası, metal yüzeylerin korozyon direncini arttırmada, elektronik endüstrisinde dielektrik malzeme uygulamalarında, organik ya da metalik pigmentlerin eklenmesi ile dekoratif kaplama olarak yüzey işlem uygulamalarında kullanılmaktadır. Ayrıca, alüminyumun asidik elektrolit ortamda anodizasyonu sırasında meydana gelen yüksek düzendeki gözenekli yapı, nanoyapıların sentezi için de kullanılabilmektedir.Bu tez çalışması kapsamında, elektriksel ölçümde kullanılacak metal elektrot seçiminin çok önemli olduğu, platin gibi kararlı elektrotlar ile yapılan kontaklarda jelin elektriksel özellikleri ile ilgili doğru cevap alınacağı fakat alüminyum gibi elektrik alan altında üzerinde yüksek dirençli bir oksit tabakası gelişen elektrotlarda sağlıklı ölçüm alınamayacağı görülmüştür. Ayrıca, anodizasyon adı verilen elektrokimyasal süreçte kullanılan geleneksel elektrolitlerin yerine yarıiletken jel elektrolitler kullanılmış ve geleneksel elektrolitlerle karşılaştırma yapıldığında oksit tabakasının daha hızlı oluştuğu gözlemlenmiştir. Oluşan bu oksit tabakasının doğrultucu kontak özelliği gösterdiği gözlemlenmiş ve bu özellik kullanılarak organik diyot üretilebileceği görülmüştür. Monomer konsantrasyonu, şişme derecesi, çapraz bağlayıcı konsantrasyonu gibi parametreler değiştirilerek jel elektrolitin içyapısı değiştirilmiş ve alüminyum elektrot üzerinde biriken oksit tabakasının gösterdiği doğrultma özelliği incelenerek polimer jel diyotun en uygun çalışma aralığı bulunmaya çalışılmıştır. Alınan ölçümler sonucunda, 7 V gerilim için akımı yaklaşık 830 kat doğrultabilen jel diyot yapılmıştır.Bu çalışma, organik elektronik devre elemanı çalışmalarına bir alternatif olması açısından önem taşımaktadır. Yüksek lisans çalışması süresi bu eklemlerdeki iletkenlik mekanizmasının anlaşılabilmesi ve yorumlanabilmesi açısından kısıtlı bir süre olsa da anodizasyon işlemi ile polimer diyot yapılabileceği konusunda yol gösterici bir çalışma olmuştur.

Abstract:
Today, with development of the electronics industry, electronic devices have become an indispensable part of daily life. Inorganic semiconductor materials are used in the production of electronic devices. Processing cost of these materials is too high. Therefore, studies in this field turned to the search for alternative raw materials. At this point, organic semiconductor materials draw attention to the advantages such as ease and speed production processes, applicable to wide and flexible surfaces. In addition to these, the materials are compatible with living tissues. For these reasons, organic circuit element studies show a significant increase in recent years.Plastic materials used in places that require electrical isolation up to now, because it was known as a good insulating material. But with the recent developments in electronics and material science, conductivity of polymers was discovered and organic electronics studies were accelerated. The mechanism of the conductivity in polymeric materials indicates changes according to field of application. Conductivity can be provided by electrons with conjugated bonds or with added metal powders, by ions with added ionizable salts in polymers.Polymer hydrogel materials are three?dimensional network, which can be formed by crosslinking hydrophilic polymer chains. A hydrogel exhibits the ability to swell in water and absorb a significant amount (about 1000 times of the initial volume of the gel) of water within its structure, but that will not dissolve in water. Polymer network contains only 5% ? 10% of whole polymer volume. Gel materials have many technological applications. Hydrogels are electrical insulator in their dried state. When gels swell in an appropriate solution, ions can move in the gel thus they become conductive. Due to hydrophilic cross?linked polymer network structure, hydrogels surround electrolyte like a physical cage. So, it protects the mechanical integrity of the system and under the applied electric field, it leads to ionic conductivity. Due to the conductivity properties and compatibility to biological systems, hydrogels provide us a strong motivation in the field of design in organic electronic devices.The first section of this thesis contains theoretical background, we explain monomer?polymer concepts and polymerization and we provide some information about polymeric gels and conductive polymers briefly. In the second chapter, we give some information about physical and chemical properties of the electrode metals aluminum and platinum. The section after this part, we give detailed information about the anodization process, aluminum anodization and applications. After this section, chapter of experimental study was started. The experimental study part, ambient conditions of the experiments and molecules used in the gel synthesis are described in details and we have compared the results of electrical measurements.In this thesis, polyacrylamide gels, which contain different acrylamide monomer molarity and different crosslinker BIS molarity, were swollen in pure water and contacted with different metals for investigate electrical properties of these contacts. During the study, two different metals are used as contact electrodes. These are; platinum and 1050 quality aluminum alloy which contains 99.5% pure aluminum. Two different experiments were carried out during the thesis. One of these is constant?voltage experiments and the other is voltage?sweep experiments. In constant?voltage experiments, the current is measured for constant voltages (5 V, 10 V and 30 V). In voltage?sweep experiments, the current is measured with 0.5 V constant sweep rate (0 --> -10 V and 0 --> +10 V). Symmetric and asymmetric contact systems are examined separately. The contacts have symmetric platinum/hydrogel/platinum, aluminum/hydrogel/aluminum, and asymmetric aluminum/hydrogel/platinum composition. In voltage?sweep experiments of platinum/hydrogel/platinum contacts, the current can flow in both directions with the same response so the contact behaves like an ohmic contact. In the case of platinum electrodes, there is no interaction with water and the electrode under appliedthe electric field. There is no difference between the platinum electrode surfaces before and after experiments. But in the contacts of aluminum electrodes, the current can flow in both directions with different response. This different behavior arises from anodization process which increases the resistance of the aluminum/hydrogel contact. Different behaviors of the aluminum contacts were investigated and an interaction between aluminum anode and hydrogel was observed. There is a considerable difference between the surface aluminum electrodes before and after the experiments. After the experiments, there is a white oxide layer on aluminum electrode surfaces. Images of these surfaces are given in the thesis. In a asymmetric contact, aluminum/hydrogel/platinum, the current behaves like an ohmic contact for the first sweep, but as the number of sweep is increased the current decreases and the oxide layer thickness (resistance) increases gradually. As a result, the current gradually decreases by oxidation of aluminum and current passes only in one direction.Anodization (anodic oxidation) is an electrochemical process used to increase the thickness of the natural oxide layer on the surface of the metal by applying an electrical potential or current, using the metal as anode in a suitable electrolyte system. The oxide film is formed with cations from the metal surface and oxygen?containing anions from the electrolyte. Depending on the experimental growth conditions, the oxides Show different structures and are divided into two groups. The first one is the barrier films: they are compact films, with high electric and ionic resistivities and are formed in neutral or slightly alkaline electrolytes which are not solve the oxide film. The second one is the porous films: they are formed generally in acidic electrolytes with a porous region extending from the film/electrolyte interface to close to the metal surface. All the oxide films formed by this way do not have the rectification property, only some of the metals may have this property. The valve metals, Al, Nb, Ta, Zr, Nb, etc. İntroduced by Gunterschultze and Betz, have this behaviour.Anodic treatment of aluminum has considerable scientific and technological interest due to its diverse applications. For example, they have been used to improve corrosion resistance of metal surface, applied in the electronic industry as dielectric film formation for use in electrolytic capacitors, used in decorative layers by adding organic or metallic pigments, and self?organized nanopore structures obtained during the anodization of aluminum in acidic electrolytes for synthesis of highly ordered nanostructures.In this thesis we observed that the selection of metal electrode which used for electrical measurements is very important. In contacts with inert electrodes like platinum, no oxidation is observed. But in aluminum contacts, the formation of high?resistant oxide layer is observed. So in asymmetric contacts, the current?voltage characteristic is like a diode. The aluminum oxide layer blocks the current in one direction and passes the current is the other direction. This method can be used for developing industrial rectifiers, organic circuit element.We studied the anodic oxidation of aluminum via polymeric hydrogel, polyacrylamide, instead of traditional electrolytes. The hydrogels was sandwiched between the platinum and aluminum electrodes, and the external voltage was applied. We observed that the rectification differs considerably from the ordinary systems. It reaches to 830 for 7 V for a specific composition and swelling ratio of the gel. We have shown that the rectification can be tuned by changing many parameters, like polymer composition, swelling ratio, the voltage applied time etc. It was concluded that the chemical reactions between the aluminum and free ions (H+ and OH-) occur more effectively when the ions are trapped in the dense regions on the surface of the gel. Increasing monomer and crosslinker concentration for some specific values results in more rapid and more effective oxidation. Oxide formation rate increases when the crosslinker concentration increases. The time to reach the maximum oxidation becomes very short due to the still water trapped in the gel, where we conclude that the chemical reactionsfor oxidation become very effective.This study is important in terms of an alternative study for studies of organic circuit element. Duration of master thesis is insufficient to understand and to interpret the conductivity mechanism as a whole for these contacts but this thesis can be considered as a guide study for producing a polymer diode by anodization process. For theutilization of these diodes are more long?term studies will be needed. These hydrogel diodes could be used in flexible and compatible with biological environments. The current?voltage characteristic of the polymeric gel electrolyte/aluminum junction canbe changed by changing doping concentration, swelling ratio, crosslinking molecule concentration, etc. that will be discussed in our feature works.