I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapens framsteg , Mingfei Xiao och ett team av tvärvetenskapliga och internationella forskare i Storbritannien, Saudiarabien, Australien, Indien, Kina och Belgien, undersökte laddningstransportfysiken för en tidigare oidentifierad klass av konjugerade polymerer. Sådana polymerer förväntas bete sig som styva stavar, dock, inte mycket är känt om deras faktiska kedjekonformation och elektroniska struktur. I det här arbetet, Xiao et al. detaljerade en studie av de strukturella och laddningstransportegenskaperna hos en familj av fyra sådana polymerer baserade på antracen-härledda (AN1 och AN2) och naftalen-härledda (NN1 och NN2) system. Genom att anta sampolymerdesign, laget uppnådde hög elektronrörlighet på upp till 0,5 cm ² V ^-1 S ^-1 . Detta arbete ger viktiga insikter i den faktor som begränsar laddningstransporten i denna unika klass av polymerer för att möjliggöra identifiering av molekylära strategier för att uppnå högre prestandanivåer.

Konjugerade polymerer

Konjugerade polymerer är attraktiva för en rad applikationer över skärmar, bioelektronik och storareaelektronik på grund av deras stora area, låg temperatur, lösningsbaserad tillverkningsdeposition med solubiliserande sidokedjor. Genom att förstå kedjekonformationerna på molekylnivå, forskare syftar till att upptäcka struktur-egenskapsförhållanden i konjugerade polymersystem. I en ny rapport, Xiao et al. systematiskt undersökt kedjekonformationerna, uthållighetslängder, mikrostruktur, energetisk störning och laddningstransportegenskaper i fyra sådana polymerer märkta NN1, NN2, AN1 och AN2. De jämförde luftstabiliteten hos dessa fyra polymerer med den brett undersökta polymeren med elektronbrist som kallas P(ND120D-T2). Strategin kan förbättra laddningstransportegenskaper i andra styva stavpolymerer och kommer att främja kristallinitet och rörlighet. Forskarna karakteriserade sedan molekylviktsberoendet av laddningstransportegenskaper med hjälp av betesförekomst vidvinkelröntgenspridning (GIWAXS), att förstå filmens mikrostruktur, samtidigt som man kvantifierar den energetiska störningen via fototermisk avböjningsspektroskopi (PDS) och kvantkemisk modellering. Xiao et al. använde small-angle neutron scattering (SANS) för att kvantifiera persistenslängder och fältinducerad elektronspinresonans för att kvantifiera laddningshoppningstider och hopplängder i fungerande organiska fälteffekttransistorer (OFETS) för att visa hur en lång persistenslängd underlättade goda laddningstransportegenskaper . Arbetet syftar till att identifiera ytterligare strategier för att förbättra laddningstransportegenskaperna hos en unik klass av konjugerade polymerer.

Under experimenten, Xiao et al. noterade att AN1-polymeren orsakade syntetiska problem på grund av begränsad löslighet. De noterade också välupplöst vibronisk absorption i det nära-infraröda området med AN2-polymeren tyder på en mindre grad av energetisk störning. Elektronaffiniteten bland polymererna låg i intervallet mellan -4,1 och -4,2 eV och hög elektronaffinitet tillät god luftstabil elektrontransport i dessa polymerer. Forskarna utförde SANS-experiment (småvinkel neutronspridning) på lösningar av NN1, NN2 och AN2 smälta polymerer för att förstå deras egenskaper. Resultaten bekräftade att AN2-polymeren bibehöll den största molekylvikten. De allmänna SANS-funktionerna var liknande för NN1, NN2, och AN2-polymerer där en snabb minskning av spridningsintensiteten var synlig för stora spridningsvektorer. Resultaten visade att de tre polymererna var betydligt styvare och mindre flexibla än testpolymeren P(ND120D-T2). Materialarkitekturen med en styv stavliknande karaktär skiljde dessa material tydligt från andra mer traditionella konjugerade polymerer.

Beting-incidens vidvinkelröntgenspridning (GIWAXS) och fototermisk avböjningsspektroskopi (PDS)

GIWAXS-mönstren för de tre sammansmälta polymererna visade också bimodala texturer med kristalliter vända mot och på kant som existerade samtidigt i proverna. Teamet noterade skillnader mellan de tre polymererna, där NN1-proverna visade en ansiktsstruktur och NN2 och AN2 indikerade en signifikant kant-på-population. GIWAXS-resultaten gav bevis för en högordnad semikristallin tunnfilmsmikrostruktur med uttalade interkedjeinteraktioner och nära π-π-stapling. För att sedan undersöka energetisk störning i materialens fasta tillstånd, Xiao et al. använde fototermisk deflektionsspektroskopi (PDS) och mätte breddningen av svansen av optisk absorption under bandkanten. Både AN1 och AN2 (antracen-härledda) polymerer visade lägre energetisk störning jämfört med naftalen-härledda systemen NN1 och NN2. För att förstå ursprunget till lågenergetisk störning i polymererna, Xiao et al. simulerade den konformationella potentiella energiytan för de representativa systemen. Forskarna krediterade den mindre termiska energetiska störningen för AN kontra NN till spridningen av π-systemet i antracen vs naftalenpolymerer.

Undersöker laddtransportegenskaperna

För att sedan förstå laddningstransportegenskaper hos olika polymerer, Xiao et al. utvecklad spin-coated, toppport, bottenkontakt OFET (organiska fälteffekttransistorer) som använder ett dielektriskt material av polymetylmetakrylat (PMMA). Enheterna visade ambipolära transportegenskaper, där forskarna noterade de högsta rörligheterna i AN2 med motsvarande stora förändringar i den lägsta lediga molekylära orbitalenergin (LUMO) med kedjelängd. De krediterade de ytterligare resultaten till kvarvarande energetisk störning, fällfyllning eller elektron-elektron-interaktioner av de semikristallina polymera OFET. Vid fasta molekylvikter, både AN2 och NN2 visade högre bärarrörlighet jämfört med AN1- och NN1-polymerer. Aktiveringsenergierna för alla fyra polymererna nådde ungefär 100 meV:jämförbart med andra högpresterande semikristallina polymera OFET. Teamet krediterade den höga aktiveringsenergin till materialens omorganisationsenergi. De genomförde också kontinuerliga vågor, fältinducerad elektronspinresonans (FI-ESR) för att studera polaronspinnas dynamik och få insikt i materialens motsvarande laddningsdynamik. Resultaten gav information om kopplingen mellan elektronspinn och vibrationslägen.

På det här sättet, Mingfei Xiao och kollegor samlade in direkta bevis för att realisera styvstavsbeteende i konjugerade polymerer som endast innehåller dubbelbindningslänkar mellan de sammansmälta ringkonjugerade enheterna. Sådana system kan behålla den unika styva stav-naturen hos dessa polymerer för att uppnå lägre energier av oordning och omorganiseringsenergier för att underlätta potentialen att nå ännu högre laddningsbärarmobiliteter som överstiger de befintliga toppmoderna systemen.

© 2021 Science X Network