Polimer KD Kompozitlerin Elektriksel Özellikleri

PMMA, PVC, PVA, PP, PC, PE ve PS gibi çeşitli polimerler elektriksel olarak iletken polimer KD kompozitleri hazırlamak için matris olarak yaygın bir şekilde araştırılmışlardır (Du & Cheng, 2012). Bu polimerler bilindiği gibi elektriksel olarak yalıtkandır ve elektriksel iletkenlikleri 10-14 _{ila 10}-17 _{S/cm arasında değişir. Bu özelliğinin} yanında, işlenebilirliği ve yüksek elastisite gibi dikkat çekici özellikleriyle, genellikle elektrik ve elektronik endüstrilerinde ve uygulamalarında yalıtım malzemesi olarak kullanılırlar. Düşük mekanik özelliklerin yanı sıra düşük termal ve elektrik özellikleri bu malzemelerin uygulama alanlarını sınırlar.

Karbon dolgu maddeleri genellikle 102 ila 105 S/cm aralığında elektriksel iletkenliğe sahiptir. Bu üstün elektriksel iletkenliğe sahip KD’ların polimer matrisine eklenmesiyle kompozitin elektriksel iletkenliği önemli ölçüde artar. Polimer matrisinin elektriksel iletkenliğindeki artış, eklenen KD’nun tipine, dağılımına, boy/en oranına, yüzey işlevselliğine, yükleme miktarına ve kompoziti hazırlama yöntemi gibi birçok faktöre bağlıdır (Kaseem vd., 2016; Punetha vd., 2017; Tripathi vd., 2017).

Elektrik iletimine göre polimer kompozitleri yalıtkan, yarıiletken ve iletken olmak üzere üç gruba ayırmak mümkündür. Bu ayrım en iyi hacim iletkenliği (Siemens/cm) veya yüzey iletkenliği (Siemens) ile tanımlanabilir. Bu tanımı aynı zamanda iletkenliğin tersi olan direnç üzerinden de yapmak mümkündür. Şekil 2.10’da elektrik iletimine göre polimer kompozitlerin sınıflandırılması gösterilmiştir.

Son yıllarda gelişmiş polimer malzemelerin eşsiz bir grubu olarak, polimerin esnekliğini ve/veya iletkenliğini dolgu maddelerinin farklı özellikleri ile birleştiren iletken polimer kompozitler ön plana çıkmıştır. İletken olmayan bir polimer matrisine, alüminyum nitrat, bor nitrat, metalik parçacıklar, geçiş metali oksitleri ve karbon dolgular gibi iletken dolgular eklenerek iletken polimer kompozitler elde edilmiştir (Huynh vd., 2018; Luo & Wong, 2000). 1 μm’den daha küçük boyutlardaki parçacıklar, bir polimer matrisine iletken dolgu maddeleri olarak eklendiğinde, elde edilen malzeme, yarıiletken bir seviyeye sahip bir iletken polimer nanokompozit olarak adlandırılır (Yuan, 2008). Metal dolgu malzemelerinin iletkenliği karbon dolgu maddelerinden daha yüksek olmasına rağmen, birçok metal oksitlenmeye eğilimlidir ve bu yüzeylerinde yalıtım tabakası oluşturur. Bu kimyasal özellik, asit içermeyen ortam koşullarında oksidasyona

28

karşı stabiliteleri nedeniyle polimer karbon dolgu kompozitlere ilgiyi arttırır (Huynh vd., 2018).

Şekil 2.10. Elektrik iletimine göre polimer kompozitler

Polimer KD kompozitlerin elektriksel iletkenlikleri perkolasyon (sızma) teorisi ile incelenir. Grafen ve türevleri, karbon nanotüpler, karbon siyahı ve karbon fiberler en çok kullanılan karbon dolgulardır. Şekil 2.11’de gösterildiği gibi yalıtkan polimer matrisi içerisine bu karbon dolgular eklenmeye başladığında elektriksel iletkenlik artmaya başlar. İletkenlikteki bu küçük artışlar karbon dolgular arasındaki elektron tünelleme/atlama ile açıklanmaktadır. Kompozitteki KD miktarının arttırılmasıyla kritik bir değerde iletkenlik önemli ölçüde artar. Bu değer perkolasyon eşiği olarak isimlendirilir. Bu tür kompozitlerin iletkenliği, polimer matrisi içinde dolgu parçacıklarının iletken yollarının oluşmasından kaynaklanır. Perkolasyon eşiğinden sonra, iletken karbon dolgu maddeleri polimer matrisi boyunca sürekli bir ağ oluşturur ve bir yalıtkandan bir yarıiletken veya iletkene dönüşür. Elektriksel iletkenlik KD eklenmesi ile belirli bir noktaya kadar artar ve bu noktada doyum gerçekleşir. Literatürdeki Polimer-KD kompozitlerin elektriksel özellikleri Çizelge 2.8’de verilmiştir.

29

Şekil 2.11. Dolgu içeriğinin artmasıyla kompozit içerisinde iletim mekanizma şematik gösterimi

İletken yolların oluşumu kullanılan polimer matrisi, karbon dolgunun özellikleri ve konsantrasyonu gibi çeşitli parametrelere bağlıdır. Ayrıca parçacıkların şekli, boyutları kadar önemlidir. Karbon nanotüpler veya grafen gibi yüksek bir boy/en oranına sahip dolgu maddelerinin küresel parçacıklardan, örneğin karbon siyahından daha iyi sonuçlar verdiği bilinmektedir. Perkolasyon eşiğinin, dolgu maddesinin artan boy/en oranı ile azaldığı görülmüştür (Kaur vd., 2015). Ayrıca, dolgu maddesinin nano boyutta olması tünelleme/atlama mesafesini azaltabilir (Zambrzycki & Fraczek-Szczypta, 2018).

Polimer kompozitlerdeki elektrik iletimi ve optik soğurma gibi olayları açıklamak için bant teorisi kullanılır ve tüm katı hal cihazların (transistörler, güneş pilleri, vb.) anlaşılmasının temelini oluşturur. Bir katıdaki elektron hareketlerini açıklamak için bant teorisi oldukça faydalıdır. Bant teorisine göre tek, izole edilmiş bir atomun elektronları, her biri ayrı bir enerji seviyesine sahip atomik orbitalleri işgal eder. Her atomda belirli bir sayıda elektron bulunur ama elektriksel iletkenlik ve atomların bağlanması dış yörünge elektronları tarafından belirlenir. İki özdeş atom bir moleküle dönüşecek şekilde birleştiğinde atomik orbitalleri üst üste gelir. Pauli dışlama ilkesi, iki elektronun bir

30

atomda aynı kuantum sayılarına sahip olmayacağını belirtir. Yani, iki özdeş atom, bir molekül oluşturmak için birleşirse, her atomik orbital, farklı enerjinin iki moleküler orbitaline ayrılır ve böylece, önceki atomik orbitallerdeki elektronlar, aynı enerjiye sahip olmadan yeni orbital yapıyı oluştururlar. Makroskopik bir katıdaki atom sayısı çok olduğundan (N ~ 1022_{), orbitallerin sayısı çok büyüktür ve dolayısıyla enerjide çok} yakındırlar. Bitişik seviyelerin enerjisi o kadar birbirine yakındır ki, bunlar bir devamlılık, bir enerji bandı olarak düşünülebilir.

Elektronların enerji dağılımı, atomlar arasındaki mesafeye bağlıdır. Elektronların dış yörüngelere ait enerji bantları, iç yörüngelerdeki enerji bantlarından daha geniştir. Çünkü iç yörüngelerdeki elektronlar komşu atomlardan daha az etkilenmektedirler. Yarılmadan sonra dış bantlar üst üste binebilir. Genellikle dış bantlarda kuantum durumları ya boş ya da kısmen doludur. Bantlar oluştuktan sonra, bantlar arasındaki elektron geçişleri Pauli dışlama ilkesine göre başlar ve istatistiksel denge kuruluncaya kadar devam eder. Böylece alt bantlar üst banttaki elektronlarla doldurulur. Şekil 2.12’de gösterildiği gibi dolu banda değerlik (valans), üstteki boş banda ise iletim bandı adı verilir. İletim ve valans bandı arasında elektronların bulunmadığı enerji aralığına, yasak enerji aralığı (Eg) denir. Genellikle değerlik ve iletim bantları arasındaki merkezde ise

Fermi Seviyesi bulunur.

31

Yasak enerji aralığının büyüklüğüne göre polimer kompozitleri yalıtkan, yarıiletken ve iletken olmak üzere üç gruba ayırmak mümkündür. İletkenlerde valans bant ve iletim bandı üst üste gelmiş durumda yani yasak enerji aralığı 0 eV, yarıiletkenlerde 0,5-4.0 eV ve yalıtkanlarda bu değer 4 eV’tan daha büyüktür (Strehlow & Cook, 1973).

Doğada çoğu atom bir araya geldiğinde üç boyutta periyodik olarak dizilerek kristal yapı oluşturmaktadır. Düzgün olmayan atom dağılımları ise amorf olarak adlandırılır. Amorf yarıiletkenler için, örgü içindeki düzensizlikler, delokalize elektronik durumlara ve bant yapısına yol açar (Arif vd., 2016; Aziz vd., 2017). Bu nedenle bant yapısının kalitesi, kusurlara (örneğin kirlilikler ve kristalit sınırları gibi) oldukça duyarlıdır.