In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Mingfei Xiao en een team van interdisciplinaire en internationale wetenschappers in het VK, Saoedi-Arabië, Australië, Indië, China en België, onderzocht de ladingstransportfysica van een voorheen ongeïdentificeerde klasse van geconjugeerde polymeren. Van dergelijke polymeren wordt verwacht dat ze zich gedragen als stijve staven, echter, er is niet veel bekend over hun werkelijke ketenconformatie en elektronische structuur. In dit werk, Xiao et al. gedetailleerde een studie van de structurele en ladingstransporteigenschappen van een familie van vier van dergelijke polymeren op basis van van antraceen afgeleide (AN1 en AN2) en van naftaleen afgeleide (NN1 en NN2) systemen. Door copolymeerontwerpen aan te nemen, het team bereikte hoge elektronenmobiliteiten tot 0,5 cm ² V ^-1 S ^-1 . Dit werk biedt belangrijke inzichten in de factor die het ladingstransport in deze unieke klasse van polymeren beperkt, om de identificatie van moleculaire strategieën mogelijk te maken om hogere prestatieniveaus te bereiken.

Geconjugeerde polymeren

Geconjugeerde polymeren zijn aantrekkelijk voor een reeks toepassingen in displays, bio-elektronica en grote elektronica vanwege hun grote oppervlakte, lage temperatuur, op oplossingen gebaseerde productiedepositie met oplosbaar makende zijketens. Door de ketenconformaties op moleculair niveau te begrijpen, onderzoekers streven ernaar om structuur-eigenschap relaties in geconjugeerde polymeersystemen te detecteren. In een nieuw rapport Xiao et al. systematisch de ketting conformaties onderzocht, persistentie lengtes, microstructuur, energetische stoornis en ladingstransporteigenschappen in vier van dergelijke polymeren met het label NN1, NN2, AN1 en AN2. Ze vergeleken de luchtstabiliteit van deze vier polymeren met het veel onderzochte elektronendeficiënte polymeer dat bekend staat als P(ND120D-T2). De strategie kan de eigenschappen van ladingstransport in andere polymeren met stijve staven verbeteren en zal kristalliniteit en mobiliteit bevorderen. De onderzoekers karakteriseerden vervolgens de molecuulgewichtsafhankelijkheid van ladingstransporteigenschappen met behulp van grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS), om de filmmicrostructuur te begrijpen, terwijl de energetische stoornis wordt gekwantificeerd via fotothermische deflectiespectroscopie (PDS) en kwantumchemische modellering. Xiao et al. gebruikte kleine-hoek neutronenverstrooiing (SANS) om persistentielengtes en veldgeïnduceerde elektronenspinresonantie te kwantificeren om ladingssprongtijden en spronglengtes in werkende organische veldeffecttransistoren (OFETS) te kwantificeren om te laten zien hoe een lange persistentielengte goede ladingstransporteigenschappen mogelijk maakte . Het werk heeft tot doel verdere strategieën te identificeren om de ladingstransporteigenschappen van een unieke klasse van geconjugeerde polymeren te verbeteren.

Tijdens de experimenten, Xiao et al. merkte op dat het AN1-polymeer synthetische problemen veroorzaakte vanwege de beperkte oplosbaarheid. Ze merkten ook goed opgeloste vibronische absorptie op in het nabij-infrarode gebied, waarbij het AN2-polymeer een kleinere mate van energetische stoornis suggereert. De elektronenaffiniteit tussen de polymeren lag tussen -4,1 en -4,2 eV en een hoge elektronenaffiniteit maakte een goed luchtstabiel elektronentransport in deze polymeren mogelijk. De wetenschappers voerden SANS-experimenten (small-angle neutron scattering) uit op oplossingen van NN1, NN2 en AN2 fuseerden polymeren om hun eigenschappen te begrijpen. De resultaten bevestigden dat het AN2-polymeer het grootste molecuulgewicht handhaafde. De algemene SANS-functies waren vergelijkbaar voor de NN1, NN2, en AN2-polymeren waar een snelle afname in verstrooiingsintensiteit zichtbaar was voor grote verstrooiingsvectoren. Uit de resultaten bleek dat de drie polymeren aanzienlijk stijver en minder flexibel waren dan het testpolymeer P(ND120D-T2). De materiaalarchitectuur met een stijve staafachtige aard onderscheidde deze materialen duidelijk van andere, meer traditionele geconjugeerde polymeren.

Grazing-incidentie groothoek röntgenverstrooiing (GIWAXS) en fotothermische deflectie spectroscopie (PDS)

De GIWAXS-patronen voor de drie gefuseerde polymeren vertoonden ook bimodale texturen met face-on en edge-on kristallieten die naast elkaar in de monsters bestonden. Het team merkte verschillen op tussen de drie polymeren, waarbij de NN1-monsters een face-on-textuur vertoonden en NN2 en AN2 een significante edge-on-populatie aangaven. De GIWAXS-resultaten leverden bewijs voor een sterk geordende semikristallijne dunnefilmmicrostructuur met uitgesproken interketeninteracties en nauwe π-π-stapeling. Om vervolgens energetische wanorde in de vaste toestand van de materialen te onderzoeken, Xiao et al. gebruikte fotothermische deflectiespectroscopie (PDS) en mat de verbreding van de staart van optische absorptie onder de bandrand. Zowel AN1 als AN2 (van antraceen afgeleide) polymeren vertoonden een lagere energetische stoornis in vergelijking met de van naftaleen afgeleide systemen NN1 en NN2. Om de oorsprong van laag-energetische wanorde in de polymeren te begrijpen, Xiao et al. simuleerde het conformationele potentiële energie-oppervlak van de representatieve systemen. De wetenschappers schreven de kleinere thermische energetische stoornis voor AN versus NN toe aan de verspreiding van het π-systeem in antraceen versus naftaleenpolymeren.

Onderzoek naar de eigenschappen van ladingtransport

Om vervolgens de ladingstransporteigenschappen van verschillende polymeren te begrijpen, Xiao et al. ontwikkeld spin-gecoat, bovenpoort, bodemcontact OFET's (organische veldeffecttransistoren) met behulp van een polymethylmethacrylaat (PMMA) diëlektrisch materiaal. De apparaten vertoonden ambipolaire transportkenmerken, waar de wetenschappers de hoogste mobiliteiten in AN2 opmerkten met bijbehorende grote veranderingen in de laagste onbezette moleculaire orbitale (LUMO) energie met ketenlengte. Ze schreven de extra resultaten toe aan resterende energetische stoornis, valvulling of elektron-elektron-interacties van de semikristallijne polymeer OFET's. Bij vaste molecuulgewichten, zowel AN2 als NN2 vertoonden hogere dragermobiliteiten in vergelijking met AN1- en NN1-polymeren. De activeringsenergieën van alle vier de polymeren bereikten ongeveer 100 meV:vergelijkbaar met andere hoogwaardige semikristallijne polymere OFET's. Het team schreef de hoge activeringsenergie toe aan de reorganisatie-energie van de materialen. Ze voerden ook continue golf, veldgeïnduceerde elektronenspinresonantie (FI-ESR) om polaron-spindynamiek te bestuderen en inzicht te krijgen in de bijbehorende ladingsdynamiek van de materialen. De resultaten gaven informatie over de koppeling tussen elektronenspins en vibratiemodi.

Op deze manier, Mingfei Xiao en collega's verzamelden direct bewijs om het gedrag van stijve staven te realiseren in geconjugeerde polymeren die alleen dubbele bindingen bevatten tussen de geconjugeerde eenheden met gefuseerde ringen. Dergelijke systemen kunnen de unieke stijve staafaard van deze polymeren behouden om lagere energieën van wanorde en reorganisatie te bereiken om het potentieel te vergemakkelijken om nog hogere mobiliteiten van ladingsdragers te bereiken die de bestaande state-of-the-art systemen overtreffen.

© 2021 Science X Network