二维D-A型共轭聚合物有机半导体膜的电化学沉积、结构及性能的研究

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尽管共轭聚合物分子内的π电子可沿共轭体系离域流动,但由于导电共轭聚合物具有分子结构的长程无序、晶体部分结晶以及结晶结构的不完善等特性,使得分子间电子迁移传输困难,分子内电子离域程度相对有限。对于分子链结构中同时存在富电子性给体(Donor,D单元)和缺电子性的受体(Acceptor,A单元)的D-A型共轭聚合物,其特殊的结构不仅有利于π电子的更远距离的离域,而且还可促进电子在相邻分子链之间的迁移。此外,通过理论计算和分子设计手段,选取不同类型的D-A单元可以有效地调控共轭聚合物的能级结构,从而获取拥有不同带隙能(Eg)和导电性能的新型有机半导体材料。因此,研究不同D-A结构半导体聚合物的制备技术、结构及其光电化学性能导电性,对认识D-A聚合物的电荷输运机制,开发新型有机半导体材料和器件具有理论和实际意义。本论文以4,5-二胺基邻苯二腈和二苯胺-4-磺酸钠为单体,采用循环伏安(CV)和恒电位电化学技术研究了不同的工艺参数对单体的电化学沉积聚合物膜的影响,成功制备了非水溶性和水溶性的两种不同D-A结构共轭有机半导体聚合物膜;用XRD分别表征了制备的聚合物薄膜的晶体结构;用SEM和金相显微镜分别观测了聚合物膜的表面织构形貌用和晶体几何形态;用紫外-可见光光谱技术和Raman光谱分别研究了聚合物的化学组成及光学性质,并采用Tauc plot法计算了聚合物的光学能带隙大小;采用CV和电化学交流阻抗谱(EIS)技术研究了单体的电化学沉积及沉积聚合物的电化学特性;用DSC和TGA考察了沉积聚合物膜的热性能。研究得到主要结论如下:(1)电解质的溶剂组成及CV扫描速率对非水溶性单体4,5二胺基邻苯二腈电化学聚合沉积薄膜的结构与性能影响显著:在乙腈/水体积比为2:1的电解质溶液中聚合反应活性最大;随着CV扫描速率的增大,单体发生电化学聚合的氧化峰的峰电流和峰电位都随之增大;当乙腈/水体积比为2:1,CV扫描速率为30mV/s时,聚合物半导体膜能带隙Egelectrochem和Egopt均最小。(2)电解质的溶剂极性及CV扫描速率对水溶性单体二苯胺-4-磺酸钠的电化学聚合及沉积聚合物薄膜的结构与性能影响显著:使用纯乙腈做电解质溶剂时,ITO工作电极表面可电化学沉积制备得到绿色聚合物薄膜试样,而使用乙腈-水、N-N二甲基甲酰胺、四氢呋喃等电解质溶剂时,工作电极表面不能沉积得到绿色的聚合物膜;随CV扫描速率增大,二苯胺-4-磺酸钠单体发生电化学聚合的氧化峰峰电流和峰电位都随之增大;CV扫描速率为50m V/s时,电化学沉积制备的聚合物半导体膜能带隙Egelectrochem和Egopt均最小。(3)具有二维D-A结构的非水溶性聚4,5二胺基邻苯二腈共轭聚合物呈现N型半导体材料导电特征,而水溶性聚二苯胺-4-磺酸钠导电聚合物呈现P型半导体材料导电特征。(4)电化学沉积制备的4,5二胺基邻苯二腈聚合物膜具有低的能带隙,其最小Egelectrochem和Egopt值分别为0.84eV和1.03eV,而非水体系制备的水溶性聚二苯胺-4-磺酸钠聚合物膜的最小Egelectrochem和Egopt值分别为1.51eV和1.74eV。(5)在电解质溶液中,4,5二胺基邻苯二腈单体电化学聚合沉积得到的聚合物膜具有针状几何结晶结形态,聚合物结晶结构完整且伴随同质多晶特征;而二苯胺-4-磺酸钠单体的电化学沉积得到的聚合物膜结晶结构为鳞片状几何特征。(6)电化学沉积得到的两种共轭导电聚合物聚4,5二胺基邻苯二腈和聚二苯胺-4-磺酸钠都具有良好的氧化还原可逆性,并且都具有较好的热稳定性,其热分解温度分别为400℃、325℃。
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