Electrical characterization of sulfonated poly(styrene-isobutylene-styrene) triblock copolymer thin films

Abstract

Polymers are a fundamental part of electronic systems and are widely used due to their low cost, ease of processing, and their wide range of mechanical and electrical properties. They have traditionally been used as passive components such as insulators and coatings, but more recent applications also include sensors, batteries, and membranes for low-temperature fuel cells. A thorough understanding of the electrical properties is necessary in order to improve their performance and to determine the best design conditions in any given application. The electrical properties of polymeric materials can be characterized through dielectric constant and loss tangent measurements. The first one represents the ability of the material to store potential energy, while the second one represents the losses related to heat dissipation factors. This work is focused on the electrical characterization of sulfonated poly (styreneisobutylene-styrene) (SIBS) triblock copolymer thin films. More specifically, the dielectric properties of SIBS were evaluated at low frequencies and as a function of critical parameters such as the sulfonation percent and polymer concentration. The sulfonation percent was varied in the range of 0% to 91%, whereas the polymer concentration was studied in the range of 5% to 9%. For the electrical characterization, metal-insulator-metal (MIM) parallel-plate capacitors were fabricated using a combination of physical vapor metal deposition and spincoating for the polymer films. The electrical measurements were performed using a Network Analyzer that can measure the complex impedance over frequencies in the range of 100 kHz to 1 MHz. The results show that the dielectric constant increases with sulfonation percent and polymer concentration, whereas the loss tangent increase with sulfonation percent, but decrease with polymer concentration. This work provides insights into the correlation of SIBS electrical properties and its chemical structure and morphology.

Los polímeros son parte fundamental de los sistemas electrónicos y son ampliamente usados debido a su bajo costo, facilidad de procesamiento y amplio rango de propiedades mecánicas y eléctricas. Tradicionalmente han sido empleados como componentes pasivos tales como aislantes y recubrimientos, pero aplicaciones más recientes también incluyen su uso como sensores, baterías y membranas para celdas de combustible a bajas temperaturas Un amplio conocimiento de las propiedades eléctricas es necesario con el fin de mejorar su rendimiento y determinar las mejores condiciones de diseño para cualquier aplicación específica. Las propiedades eléctricas de los materiales poliméricos pueden ser representadas por la constante dieléctrica y la tangente de las pérdidas eléctricas. La primera representa la habilidad de un material de almacenar energía potencial eléctrica, mientras que la segunda representa las pérdidas relacionadas a efectos disipativos de calor. Este trabajo está enfocado en la caracterización eléctrica de películas delgadas del copolímero sulfonado de tres bloques poli(estireno-isobutileno-estireno) (SIBS, por sus siglas en inglés). Específicamente, las propiedades eléctricas de SIBS fueron evaluadas a bajas frecuencias en función de parámetros críticos como el porcentaje de sulfonación y la concentración de polímero de las películas. El porcentaje de sulfonación se varió en el rango de 0% a 91%, y la concentración de polímero fue estudiada en el rango de 5 % (p/p) hasta 9% (p/p). Para la caracterización eléctrica se fabricaron condensadores de placas paralelas por medio de las técnicas de deposición de metales y recubrimiento por centrifugado para la fabricación de películas delgadas. Las medidas eléctricas fueron tomadas usando un analizador de redes, el cual provee medidas complejas de impedancia en un rango de 100 kHz a 1MHz. Los resultados indicaron que la constante dieléctrica aumenta con el porcentaje de sulfonación y concentración del polímero. Por su parte, la tangente de las pérdidas aumenta con el porcentaje de sulfonación, pero disminuye con la concentración de polímero. Este trabajo ofrece una comprensión acerca de la correlación de las propiedades eléctricas de SIBS con su estructura química y morfología.