Charge transport fysik af en unik klasse af stive stang-konjugerede polymerer

I en ny rapport nu offentliggjort den Videnskab fremskridt , Mingfei Xiao og et team af tværfaglige og internationale forskere i Storbritannien, Saudi Arabien, Australien, Indien, Kina og Belgien, undersøgte ladningstransportfysikken for en tidligere uidentificeret klasse af konjugerede polymerer. Sådanne polymerer forventes at opføre sig som stive stænger, imidlertid, ikke meget er kendt om deres faktiske kædeformation og elektroniske struktur. I dette arbejde, Xiao et al. detaljeret en undersøgelse af struktur- og ladningstransportegenskaberne for en familie på fire sådanne polymerer baseret på anthracen-afledte (AN1 og AN2) og naphthalen-afledte (NN1 og NN2) systemer. Ved at vedtage copolymer designs, holdet opnåede høje elektronmobiliteter på op til 0,5 cm ² V ^-1 S ^-1 . Dette arbejde giver vigtig indsigt i faktorbegrænsende ladningstransport i denne unikke klasse af polymerer for at muliggøre identifikation af molekylære strategier for at opnå højere ydelsesniveauer.

Konjugerede polymerer

Konjugerede polymerer er attraktive for en række applikationer på tværs af skærme, bioelektronik og storområdeelektronik på grund af deres store område, lav temperatur, løsningsbaseret fremstillingsdeponering med solubiliserende sidekæder. Ved at forstå kædekonformationer på molekylært niveau, forskere sigter mod at opdage struktur-ejendomsforhold i konjugerede polymersystemer. I en ny rapport, Xiao et al. systematisk undersøgte kædeformationer, persistenslængder, mikrostruktur, energisk lidelse og ladningstransportegenskaber i fire sådanne polymerer mærket NN1, NN2, AN1 og AN2. De sammenlignede luftstabiliteten af ​​disse fire polymerer med den vidt undersøgte elektronmangel-polymer kendt som P (ND120D-T2). Strategien kan forbedre ladningstransportegenskaber i andre stive stangpolymerer og vil fremme krystallinitet og mobilitet. Forskerne karakteriserede derefter molekylvægtsafhængigheden af ​​ladningstransportegenskaber ved hjælp af græsningsincidens vidvinkel røntgenstråling (GIWAXS), at forstå filmmikrostrukturen, mens man kvantificerer den energiske lidelse via fototermisk afbøjningsspektroskopi (PDS) og kvantekemisk modellering. Xiao et al. brugte småvinklet neutronspredning (SANS) til at kvantificere persistenslængder og feltinduceret elektronspinresonans til at kvantificere ladningshoppetider og hoppelængder i arbejdende organiske felteffekttransistorer (OFETS) for at vise, hvordan en lang persistenslængde muliggjorde gode ladningstransportegenskaber . Arbejdet sigter mod at identificere yderligere strategier til forbedring af ladningstransportegenskaber for en unik klasse af konjugerede polymerer.

Under forsøgene, Xiao et al. bemærkede, at AN1 -polymeren forårsagede syntetiske problemer på grund af begrænset opløselighed. De bemærkede også godt løst vibronic absorption i det nær-infrarøde område med AN2-polymeren tyder på en mindre grad af energisk lidelse. Elektronaffiniteten blandt polymererne var i området mellem -4,1 og -4,2 eV og høj elektronaffinitet tillod god luftstabil elektrontransport i disse polymerer. Forskerne udførte SANS (småvinklede neutronspredning) eksperimenter på løsninger af NN1, NN2 og AN2 smeltede polymerer for at forstå deres egenskaber. Resultaterne bekræftede AN2 -polymeren til at opretholde den største molekylvægt. De generelle SANS -funktioner var ens for NN1, NN2, og AN2 -polymerer, hvor et hurtigt fald i spredningsintensitet var synligt for store spredningsvektorer. Resultaterne fremhævede de tre polymerer for at være betydeligt mere stive og mindre fleksible end testpolymeren P (ND120D-T2). Materialearkitekturen med en stiv stavlignende natur adskilte disse materialer klart fra andre mere traditionelle konjugerede polymerer.

Græsningsforekomst vidvinkel-røntgenspredning (GIWAXS) og fototermisk afbøjningsspektroskopi (PDS)

GIWAXS-mønstrene for de tre fusionerede polymerer viste også bimodale teksturer med face-on og edge-on-krystallitter sameksisterende i prøverne. Holdet bemærkede forskelle mellem de tre polymerer, hvor NN1-prøverne viste en face-on-tekstur, og NN2 og AN2 angav en betydelig kant-på-population. GIWAXS-resultaterne gav beviser for en stærkt ordnet halvkrystallinsk tyndfilmsmikrostruktur med udtalte interkæde-interaktioner og tæt π-π-stabling. For derefter at undersøge energisk lidelse i materialernes faste tilstand, Xiao et al. brugte fototermisk afbøjningsspektroskopi (PDS) og målte bredden af ​​halen for optisk absorption under båndkanten. Både AN1 og AN2 (anthracen-afledte) polymerer viste lavere energisk lidelse sammenlignet med de naphthalen-afledte systemer NN1 og NN2. For at forstå oprindelsen til lavenergisk lidelse i polymererne, Xiao et al. simulerede de repræsentative systemers konformationelle potentielle energioverflade. Forskerne krediterede den mindre termiske energiske lidelse for AN versus NN til spredningen af ​​π -systemet i anthracen vs naphthalenpolymerer.

Undersøgelse af ladningstransportens ejendomme

For derefter at forstå ladningstransportegenskaber for forskellige polymerer, Xiao et al. udviklet spin-coated, øverste port, bundkontakt OFET'er (organiske felteffekttransistorer) ved anvendelse af et polymethylmethacrylat (PMMA) dielektrisk materiale. Enhederne viste ambipolære transportegenskaber, hvor forskerne noterede de højeste mobiliteter i AN2 med tilsvarende store ændringer i den laveste ubesatte molekylære orbital (LUMO) energi med kædelængde. De krediterede de yderligere resultater for resterende energisk lidelse, fældefyldning eller elektron-elektron-interaktioner mellem de halvkrystallinske polymer OFET'er. Ved faste molekylvægte, både AN2 og NN2 viste højere bærermobilitet sammenlignet med AN1- og NN1 -polymerer. Aktiveringsenergierne for alle fire polymerer nåede cirka 100 meV:sammenlignelige med andre højtydende halvkrystallinske polymere OFET'er. Teamet krediterede den høje aktiveringsenergi til materialernes reorganiseringsenergi. De gennemførte også kontinuerlig bølge, feltinduceret elektron-spin-resonans (FI-ESR) for at studere polarons spin-dynamik og få indsigt i materialernes tilsvarende ladningsdynamik. Resultaterne gav information om koblingen mellem elektronspins og vibrationstilstande.

På denne måde, Mingfei Xiao og kolleger indsamlede direkte beviser for at realisere stiv-stav-adfærd i konjugerede polymerer, der kun indeholder dobbeltbindingsforbindelser mellem de fusionerede ringkonjugerede enheder. Sådanne systemer kan bevare disse polymers unikke stive-stang-natur for at opnå lavere uordenergier og omorganiseringsenergier for at lette potentialet for at nå endnu højere ladningsbærermobiliteter, der overstiger de eksisterende state-of-the-art systemer.

© 2021 Science X Network