Polymer electrolytes for electrochromic devices

Polymer electrolytes are currently the focus of much attention as potential electrolytes in electrochemical devices such as batteries, display devices and sensors. Generically, solid polymer electrolytes (SPEs) are mixtures of salts with soft polar polymers. SPEs have many advantages including high energy density, no risk of leakage, no issues related to the presence of solvent, wide electrochemical stability windows, simplified processability and light weight. With the goal of developing a new family of environmentally friendly multifunctional biohybrid materials displaying high ionic conductivity we have produced in the present work, flexible films based on different polymers or hybrids incorporating different salts. The polymer electrolytes studied here have been characterized by means of Differential Scanning Calorimetry, Thermogravimetric Analysis, X-ray diffraction, Polarized Optical Microscopy, complex impedance spectroscopy and cyclic voltammetry. An evaluation of the performance of the sample with the highest conductivity as electrolyte in all solid-state ECDs was performed.

Lithium-doped silk fibroin films for application in electrochromic devices

Silk fibroin (SF) is a commonly available natural biopolymer produced in specialized glands of arthropods, with a long history of use in textile production and also in health cares. The exceptional intrinsic properties of these fibers, such as self-assembly, machinability, biocompatibility, biodegradation or non-toxicity, offer a wide range of exciting opportunities [1]. It has long been recognized that silk can be a rich source of inspiration for designing new materials with tailored properties, enhanced performance and high added value for targeted applications, opening exciting new prospects in the domain of materials science and related technological fields, including bio-friendly integration, miniaturization and multifunctionalization. In recent years it has been demonstrated that fibroin is an excellent material for active components in optics and photonics devices. Progress in new technological fields such as optics, photonics and electronics are emerging [2,3]. The incorporation of polymer electrolytes as components of various devices (advanced batteries, smart windows, displays and supercapacitors) offers significant advantages with respect to traditional electrolytes, including enhanced reliability and improved safety. SF films are particularly attractive in this context. They have near-perfect transparency across the VIS range, surface flatness (together with outstanding mechanical robustness), ability to replicate patterned substrates and their thickness may be easily tailored from a few nanometers to hundreds of micrometers through spin-casting of a silk solution into subtract. Moreover, fibroin can be added to other biocomponents or salts in order to modify the biomaterial properties leading to optimized and total different functions. Preliminary tests performed with a prototype electrochromic device (ECD) incorporating SF films doped with lithium triflate and lithium tetrafluoroborate (LiTFSI and LiBF4, respectively) as electrolyte and WO3 as cathodic electrochromic layer, are extremely encouraging. Aiming to evaluate the performance of the ion conducting SF membranes doped with LiTFSI and LiBF4 (SF-Li), small ECDs with glass/ITO/WO3/SF-Li/CeO2-TiO2/ITO/glass configuration were assembled and characterized. The device exhibited, after 4500 cycles, the insertion of charge at -3.0 V reached –1.1 mC.cm-2 in 15 s. After 4500 cycles the window glass-staining, glass/ITO/WO3/Fibrin-Li salts electrolyte/CeO2-TiO2/ITO/glass configuration was reversible and featured a T  8 % at λ = 686 nm

Gelatin as an additive in bio-based barrier films

The main objective of the present study was to verify the approach on starch-gelatin blending for the paperboard coating formulations with enhanced barrier and mechanical properties. Based on that, another objective was to find out, how the approach will function with wood-based polysaccharides (CMC, EHEC and HPC) by analyzing their barrier properties and convertibility. The last objective was to find out, if pigments can be used in the composition of polysaccharide-protein blends without causing any negative effect on stated properties. The whole process chain of the barrier coating development was studied in the research. The methodology applied included pilot-scale coating and converting trials for the evaluation of mechanical properties of obtained coatings, namely their exposure to cracking with the loss of barrier properties. The results obtained indicated that the combination of starch with gelatin, in fact, improves the grease barrier properties and flexibility of starch-based coatings, thereby confirming the offered approach. The similar results were obtained for CMC, exhibited elevated barrier properties and surface coverage, proving that the approach also functions with wood-based polysaccharides. The introduction of equal amounts of talc gave various effects at different gelatin dosages on barrier properties of wood-based polysaccharides. Mainly, the elevation of grease barrier properties was observed. The convertibility of talc-filled coatings was not sufficient.

Development and characterization of thin printed films for gas sensing applications

The monitoring and control of hydrogen sulfide (H2S) level is of great interest for a wide range of application areas including food quality control, defense and antiterrorist applications and air quality monitoring e.g. in mines. H2S is a very poisonous and flammable gas. Exposure to low concentrations of H2S can result in eye irritation, a sore throat and cough, shortness of breath, and fluid retention in the lungs. These symptoms usually disappear in a few weeks. Long-term, low-level exposure may result in fatigue, loss of appetite, headache, irritability, poor memory, and dizziness. Higher concentrations of 700 - 800 ppm tend to be fatal. H2S has a characteristic smell of rotten egg. However, because of temporary paralysis of olfactory nerves, the smelling capability at concentrations higher than 100 ppm is severely compromised. In addition, volatile H2S is one of the main products during the spoilage of poultry meat in anaerobic conditions. Currently, no commercial H2S sensor is available which can operate under anaerobic conditions and can be easily integrated in the food packaging. This thesis presents a step-wise progress in the development of printed H2S gas sensors. Efforts were made in the formulation, characterization and optimization of functional printable inks and coating pastes based on composites of a polymer and a metal salt as well as a composite of a metal salt and an organic acid. Different processing techniques including inkjet printing, flexographic printing, screen printing and spray coating were utilized in the fabrication of H2S sensors. The dispersions were characterized by measuring turbidity, surface tension, viscosity and particle size. The sensing films were characterized using X-ray photoelectron spectroscopy, X-ray diffraction, atomic force microscopy and an electrical multimeter. Thin and thick printed or coated films were developed for gas sensing applications with the aim of monitoring the H2S concentrations in real life applications. Initially, a H2S gas sensor based on a composite of polyaniline and metal salt was developed. Both aqueous and solvent-based dispersions were developed and characterized. These dispersions were then utilized in the fabrication of roll-to-roll printed H2S gas sensors. However, the humidity background, long term instability and comparatively lower detection limit made these sensors less favourable for real practical applications. To overcome these problems, copper acetate based sensors were developed for H2S gas sensing. Stable inks with excellent printability were developed by tuning the surface tension, viscosity and particle size. This enabled the formation of inkjet-printed high quality copper acetate films with excellent sensitivity towards H2S. Furthermore, these sensors showed negligible humidity effects and improved selectivity, response time, lower limit of detection and coefficient of variation. The lower limit of detection of copper acetate based sensors was further improved to sub-ppm level by incorporation of catalytic gold nano-particles and subsequent plasma treatment of the sensing film. These sensors were further integrated in an inexpensive wirelessly readable RLC-circuit (where R is resistor, L is inductor and C is capacitor). The performance of these sensors towards biogenic H2S produced during the spoilage of poultry meat in the modified atmosphere package was also demonstrated in this thesis. This serves as a proof of concept that these sensors can be utilized in real life applications.

Determination of structural and mechanical properties, diffractometry, and thermal analysis of chitosan and hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) films plasticized with sorbitol

In this work, the structural, mechanical, diffractometric, and thermal parameters of chitosan-hydroxypropylmethylcellulose (HPMC) films plasticized with sorbitol were studied. Solutions of HPMC (2% w/v) in water and chitosan (2% w/v) in 2% acetic acid solution were prepared. The concentration of sorbitol used was 10% (w/w) to both polymers. This solutions were mixed at different proportions (100/0; 70/30; 50/50; 30/70, and 0/100) of chitosan and HPMC, respectively, and 20 mL was cast in Petri dishes for further analysis of dried films. The miscibility of polymers was assessed by X-ray diffraction, scanning electronic microscopy (SEM), differential scanning calorimetry (DSC), and thermal gravimetric analysis (TGA). The results obtained indicate that the films are not fully miscible at a dry state despite the weak hydrogen bonding between the polymer functional groups.

Films minces supramoléculaires de copolymères de PS-P4VP réalisés par trempage

Bien que ce soit un procédé industriel répandu, les films de copolymères à blocs préparés par trempage (« dip-coating ») sont moins étudiés que ceux obtenus par tournette (« spin-coating »). Pourtant, il est possible grâce à cette technique de contrôler précisément les caractéristiques de ces films. Au-delà de la méthode de fabrication, la capacité de modifier la morphologie des films trempés à l’aide d’autres facteurs externes est un enjeu primordial pour leur utilisation dans les nanotechnologies. Nous avons choisi, ici, d’étudier l’influence d’une petite molécule sur la morphologie de films supramoléculaires réalisés par « dip-coating » à partir de solutions de poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) dans le tétrahydrofurane (THF). En présence de 1-naphtol (NOH) et d’1-acide napthoïque (NCOOH), qui se complexent par pont hydrogène au bloc P4VP, ces films donnent, respectivement, une morphologie en nodules (sphères) et en stries (cylindres horizontaux). Des études par spectroscopie infrarouge ont permis de mesurer la quantité de petite molécule dans ces films minces, qui varie avec la vitesse de retrait mais qui s’avère être identique pour les deux petites molécules, à une vitesse de retrait donnée. Cependant, des études thermiques ont montré qu’une faible fraction de petite molécule est dispersée dans le PS (davantage de NOH que de NCOOH à cause de la plus faible liaison hydrogène du premier). La vitesse de retrait est un paramètre clé permettant de contrôler à la fois l’épaisseur et la composition du film supramoléculaire. L’évolution de l’épaisseur peut être modélisée par deux régimes récemment découverts. Aux faibles vitesses, l’épaisseur décroît (régime de capillarité), atteint un minimum, puis augmente aux vitesses plus élevées (régime de drainage). La quantité de petite molécule augmente aux faibles vitesses pour atteindre un plateau correspondant à la composition de la solution aux vitesses les plus élevées. Des changements de morphologie, à la fois liés à l’épaisseur et à la quantité de petite molécule, sont alors observés lorsque la vitesse de retrait est modifiée. Le choix du solvant est aussi primordial dans le procédé de « dip-coating » et a été étudié en utilisant le chloroforme, qui est un bon solvant pour les deux blocs. Il s’avère qu’à la fois la composition ainsi que la morphologie des films de PS-P4VP complexés sont différentes par rapport aux expériences réalisées dans le THF. Premièrement, la quantité de petite molécule reste constante avec la vitesse de retrait mais les films sont plus riches en NCOOH qu’en NOH. Deuxièmement, la morphologie des films contenant du NOH présente des stries ainsi que des lamelles à plat, tandis que seules ces dernières sont observables pour le NCOOH. Ce comportement est essentiellement dû à la quantité différente de petite molécule modulée par leur force de complexation différente avec le P4VP dans le chloroforme. Enfin, ces films ont été utilisés pour l’adsorption contrôlée de nanoparticules d’or afin de guider leur organisation sur des surfaces recouvertes de PS-P4VP. Avant de servir comme gabarits, un recuit en vapeurs de solvant permet soit d’améliorer l’ordre à longue distance des nodules de P4VP, soit de modifier la morphologie des films selon le solvant utilisé (THF ou chloroforme). Ils peuvent être ensuite exposés à une solution de nanoparticules d’or de 15 nm de diamètre qui permet leur adsorption sélective sur les nodules (ou stries) de P4VP.

Préparation, étude de l’orientation et caractérisation physico-chimique de films polymères comportant des fluorophores

Les propriétés intrinsèques, photophysiques, électrochimiques et cristallographiques des molécules fluorescentes 4,4'-bis(2-benzoxazolyle)stilbène (BBS) et 2,5-bis(5-tert-butyl-2-benzoxazolyle)thiophène (BBT) ont été étudiées en solution et dans les polymères semi-cristallins : poly(butylène succinate) (PBS) et polylactide (PLA). Les deux fluorophores sont caractérisés par de hauts rendements quantiques absolus de fluorescence. Toutefois, une désactivation de la fluorescence peut se produire par croisement intersystème vers l'état triplet pour le BBT, et par photoisomérisation trans-cis pour le BBS. La cinétique de ce dernier processus dépend de la concentration, résultant en un pur isomère cis photo-induit à faibles concentrations, qui est accompagné à des concentrations élevées par l'apparition d'un composé acide après photo-clivage suivi d'une oxydation. Cette étude a révélé des changements spectroscopiques prononcés suite à l’augmentation de la concentration des fluorophores, en particulier à l'état solide, spécifiques à l'agrégation des molécules à l'état fondamental pour le BBT et à la formation d’excimères pour le BBS, permettant ainsi de corréler les propriétés fluorescentes avec les caractéristiques du monocristal pour chaque fluorophore. En outre, le passage d’une dispersion moléculaire à une séparation de phases dans le cas du BBS est accompagné d'un changement de couleur du bleu au vert, qui est sensible à la déformation, à la température et au temps, affectant les rendements quantiques absolus de fluorescence et fournissant une large opportunité à la création d'une grande variété de polymères intelligents indicateurs capables d'auto-évaluation. D’autre part, la solubilité élevée du BBT dans les solvants courants, combinée à ses propriétés optoélectroniques élevées, en font un candidat en tant que référence universelle de fluorescence et matériau intelligent à la fois pour les études de polymères et en solution. Similairement aux mélanges comprenant des polymères miscibles, l'orientation du PBS augmente après ajout d'une molécule fluorescente, dont les monomères ont tendance à être orientés dans des films étirés, contrairement aux excimères ou agrégats.

Study of Langmuir-Blodgett Films of Self-Assembled Diblock Copolymers

L'auto-assemblage des copolymères à bloc (CPBs) attire beaucoup d'intérêt grâce à leur capacité de générer spontanément des matériaux ordonnés avec des propriétés uniques. Les techniques Langmuir-Blodgett (LB) et Langmuir-Schaefer (LS) sont couramment utilisées pour produire des monocouches ou des films ultraminces à l'interface air/eau suivi de transfert aux substrats solides. Les films LB/LS de CPBs amphiphiles s'auto-assemblent dans des morphologies variables dépendamment de la composition du CPB ainsi que d'autres facteurs. Dans notre travail, nous avons étudié les films LB/LS de polystyrène-b-poly(4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) et leurs complexes supramoléculaires avec le naphtol (NOH), l'acide naphtoïque (NCOOH) et le 3-n-pentadécylphenol (PDP). La première partie de ce mémoire est consacré à l'investigation du PS-P4VP complexé avec le NOH et le NCOOH, en comparaison avec le PS-P4VP seul. Il a été démontré qu'un plateau dans l'isotherme de Langmuir, indicatif d'une transition de premier ordre, est absent à des concentrations élevées des solutions d'étalement des complexes. Cela a été corrélé avec l'absence de morphologie en nodules avec un ordre 2D hexagonal à basse pression de surface. L'ordre au-delà de la pression de cette transition, lorsque présente, change à un ordre 2D carré pour tout les systèmes. La deuxième partie du la mémoire considère à nouveau le système PS-P4VP/ PDP, pour lequel on a démontré antérieurement que la transition dans l'isotherme correspond a une transition 2D d'un ordre hexagonal à un ordre carré. Cela est confirmé par microscopie à force atomique, et, ensuite, on a procédé à une étude par ATR-IR des films LB pour mieux comprendre les changements au niveau moléculaire qui accompagnent cette transition. Il a été constaté que, contrairement à une étude antérieure dans la littérature sur un autre système, il n'y a aucun changement dans l'orientation des chaînes alkyles. Au lieu de cela, on a découvert que, aux pressions au-delà de celle de la transition, le groupe pyridine, qui est orienté à basse pression, devient isotrope et qu'il y a une augmentation des liaisons hydrogènes phénol-pyridine. Ces observations sont rationalisées par un collapse partiel à la pression de transition de la monocouche P4VP, qui à basse pression est ordonné au niveau moléculaire. Cette étude a mené à une meilleure compréhension des mécanismes moléculaires qui se produisent à l'interface air/eau, ce qui fournit une meilleure base pour la poursuite des applications possibles des films LB/LS dans les domaines de nanotechnologie.

Films minces de copolymères à blocs supramoléculaires et photosensibles

La technique de trempage («dip-coating») est un procédé rapide et efficace pour former des films minces de copolymères à blocs (CPB) d’épaisseur et de nano-morphologies variées. Très peu d’études ont toutefois porté sur le trempage des CPB supramoléculaires et/ou photosensibles. Le trempage du CPB poly(styrène-b-4-vinyl pyridine) (PS-P4VP) a premièrement été étudié avec des petites molécules (PM) d’acide 1-naphtoïque (NCOOH) et de 1-naphtol (NOH) capables de former des ponts hydrogène (ponts H) avec le bloc P4VP dans 4 solvants (tétrahydrofurane (THF), p-dioxane, toluène et chloroforme). Le ratio d’incorporation (RI) molaire PM/VP dans les films trempés augmente avec la vitesse de retrait mais sa variation dépend fortement du solvant et de la PM utilisés. Le RI et la morphologie des films minces dépendent de la possibilité (ou non) du solvant à former des ponts H avec la PM et de sa sélectivité au bloc de PS menant (ou non) à des micelles de P4VP/PM en solution dont la rigidité influence l’état cinétique du système en film mince. La dépendance en une courbe en V de l’épaisseur des films en fonction la vitesse de retrait définit deux régimes, nommés régimes capillaire et de drainage. Ces régimes influencent différemment le RI et la morphologie finale. Nous nous sommes ensuite intéressés aux complexes de PS-P4VP avec des azobenzènes (AB) photosensibles, le 4-hydroxy-4’-butyl-azobenzène (BHAB) et le 4-hydroxy-4’-cyano-azobenzène (CHAB). Ces AB peuvent non seulement former des ponts H avec le bloc P4VP mais aussi s'isomériser entre les formes trans et cis sous illumination. Les expériences avec PS-P4VP/BHAB dans le THF et le toluène ont révélé que l'irradiation pendant le trempage permet de provoquer une transition entre les morphologies sphérique et cylindrique à basses vitesses de retrait. Ces transitions sont expliquées par l’augmentation du ratio molaire BHAB/VP pris dans les films sous illumination et par le plus grand volume des isomères BHAB-cis par rapport aux BHAB-trans. L'irradiation permet également de moduler l'épaisseur des films sans égard à la présence des AB. Finalement, des solutions de PS-P4VP/CHAB et PS-P4VP/BHAB dans le THF avec un CPB de masse molaire plus élevée ont été étudiées afin de comprendre l’effet d'un temps de demi-vie plus court de l’AB et de la présence de micelles en solution. Le photocontrôle morphologique perd de son efficacité avec le CHAB car l’augmentation du RI de CHAB dans les films illuminés par rapport aux films non irradiés est moins prononcée que pour les complexes de BHAB. Le choix du PS-P4VP est également important puisque la présence de micelles dans les solutions de THF du PS-P4VP(36,5k-16k), même si elle n’influence pas les RI BHAB/VP, fige davantage la morphologie sphérique en solution par rapport à une solution non-micellaire de PS-P4VP(24k-9,5k), limitant les possibilités de transition morphologique.

Non-Destructive Evaluation of Ion-Implanted Semiconductor Thin Films Using Photothermal Deflections Spectroscopy

Materials and equipment which fail to achieve the design requirements or projected life due to undetected defects may require expensive repair or early replacement. Such defects may also be the cause of unsafe conditions or catastrophic unexpected failure, and will lead to loss of revenue due to plant shutdown. Non-Destructive Evaluation (NDE) / Non Destructive Testing (NDT) is used for the examination of materials and components without changing or destroying their usefulness. NDT can be applied to each stage of a system’s construction, to monitor the integrity of the system or structure throughout its life.

Copper Doped Methylene Blue Sensitized Poly(vinyl alcohol)–Acrylamide Films for Stable Diffraction Efficiency

Copper doped methylene blue sensitized poly(vinyl alcohol) (MBPVA)–acrylamide films were fabricated to improve the storage life of recorded gratings. The films were fabricated using gravity settling method and the copper chloride concentration was optimized as 3:18 10 3 mol/l for a dye concentration of 6:2 10 4 mol/l. The gratings recorded on the optimized film constitution could be stored for months with stable diffraction efficiency (24%) without any chemical or thermal fixing techniques. The resolution of the material is found to be unaffected with the addition of copper chloride.

Optimization of pH and Direct Imaging Conditions of Complexed Methylene Blue Sensitized Poly(vinyl chloride) Films

Significant results of our experimental investigations on the dependence of pH on real time transmission characteristics on recording media fabricated by doping PVC with complexed methylene blue are presented. The optimum pH value for faster bleaching was found to be 4×5. In typical applications, the illumination from one side, normal to the surface of this material, initiates a chemical sequence that records the incident light pattern in the polymer. Thus direct imaging can be successfully done on this sample. The recorded letters were very legible with good contrast and no scattering centres. Diffraction efficiency measurements were also carried out on this material.

Photosensitivity of Laser Dye Mixtures in Polymer Matrix – A Photoacoustic Study

Laser induced photoacoustic (PA) technique is used in the study of photostability of polymethyl methacrylate (PMMA) films doped with Rhodamine 6G -Rhodamine B dye system. Energy transfer from a donor molecule to an acceptor molecule in a dye mixture affects the output of the dye system. Details of investigations on the role of laser power, modulation frequency and the irradiation wavelength on the photosensitivity of the dye mixture doped PMMA films are presented.

Optimization of pH and Direct Imaging Conditions of Complexed Methylene Blue Sensitized Poly(vinyl chloride) Films

Significant results of our experimental investigations on the dependence of pH on real time transmission characteristics on recording media fabricated by doping PVC with complexed methylene blue are presented. The optimum pH value for faster bleaching was found to be 4×5. In typical applications, the illumination from one side, normal to the surface of this material, initiates a chemical sequence that records the incident light pattern in the polymer. Thus direct imaging can be successfully done on this sample. The recorded letters were very legible with good contrast and no scattering centres. Diffraction efficiency measurements were also carried out on this material.

Growth of zinc oxide thin films for optoelectronic application by pulsed laser deposition

Zinc oxide (ZnO) thin films were deposited on quartz, silicon, and polymer substrates by pulsed laser deposition (PLD) technique at different oxygen partial pressures (0.007 mbar to 0.003 mbar). Polycrystalline ZnO films were obtained at room temperature when the oxygen pressure was between 0.003 mbar and .007 mbar, above and below this pressure the films were amorphous as indicated by the X-ray diffraction (XRD). ZnO films were deposited on Al2O3 (0001) at different substrate temperatures varying from 400oC to 600oC and full width half maximum (FWHM) of XRD peak is observed to decrease as substrate temperature increases. The optical band gaps of these films were nearly 3.3 eV. A cylindrical Langmuir probe is used for the investigation of plasma plume arising from the ZnO target. The spatial and temporal variations in electron density and electron temperature are studied. Optical emission spectroscopy is used to identify the different ionic species in the plume. Strong emission lines of neutral Zn, Zn+ and neutral oxygen are observed. No electronically excited O+ cations are identified, which is in agreement with previous studies of ZnO plasma plume.