共轭聚合物分子构象对薄膜形貌的影响

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共轭聚合物因其具有独特的电子结构特征、可大面积溶液加工特性及光电性质可调等优异特点,广泛应用于有机场效应晶体管(OTFT)及有机太阳能电池(OSCs)等领域。为提高载流子迁移率,共轭聚合物从均聚物发展到迁移率更高的给受体(D-A)共聚物。载流子迁移率由材料的转移积分和重组能共同决定,转移积分越大、重组能越小载流子迁移率越大,提高分子平面构象或者降低π-π堆积间距可以增大转移积分。同时,载流子迁移率受晶区与晶界的迁移率共同影响,由于晶界迁移率远低于晶区迁移率,需要降低载流子有效传输路径中晶界含量,制备高结晶取向薄膜,使薄膜中晶区沿载流子传输方向取向排列,可减少载流子传输路径中的晶界,实现载流子迁移率的提高。根据共轭聚合物高结晶取向薄膜对成核,生长速率和生长方向的要求,所以,本工作通过成膜过程中降低侧链位阻促进主链构象平面化利于π-π堆积,调节溶液中缠结(□→)解缠结(□→)成核生长平衡,控制成膜速率与结晶生长速率匹配,实现高结晶薄膜的制备。主要内容如下:  1.成膜过程中降低共轭聚合物侧链位阻促进主链构象平面化利于π-π堆积形成纤维。利用脂肪族添加剂与聚合物侧链溶度参数相近,选择溶解侧链,降低空间位阻,使聚合物主链构象易于调整,利于成核,促进纤维生长。通过添加DIO等脂肪族添加剂,获得了PDPPTT-T的纤维形貌,而初始薄膜及添加同样具有高沸点的芳香性添加剂CN的薄膜则无明显形貌。随着成膜过程中主溶剂的挥发,加入脂肪族添加剂的薄膜中保持溶解状态的聚合物侧链延长主链构象调整时间,提供更大的分子平面,利于分子间π-π堆积成核形成纤维。  2.调节溶液中共轭聚合物分子缠结(→)解缠结(→)成核生长平衡,在高浓度下制备高密度的长纳米线。调节溶剂与聚合物相互作用半径(Ra),临界Ra解缠结促进构象转变成核,同时通过浓度控制低过饱和溶液,经陈化,溶液中生长速率慢,避免缺陷,制备高结晶的长纳米线。PBTTT-C14在CS2与ChB混合溶剂临界Ra为2.56时,解缠结促进构象转变成核并在低过饱和度驱动下缓慢生长。陈化1mg/ml的Ra为2.56的PBTTT-C14溶液获得高密度高结晶的长纳米线。低于临界Ra,PBTTT-C14不能在溶液中成核,高于临界Ra,缠结阻碍长纳米线生长。  3.成膜时三相线后退速率与晶体生长速率匹配,制备了高结晶取向薄膜。选择主链平面性强的分子促进成核,溶剂蒸汽辅助控制液滴边缘缓慢后退,降低生长速率并使纤维取向生长,获得取向薄膜。主链平面性强的分子利于π-π堆积成核,同时抑制侧链方向的穿插,降低侧链方向分子间作用,利于经三相线后退剪切使分子重排。溶剂蒸汽气氛下滴涂溶液,三相线缓慢后退,降低纤维生长速率,利于分子链排入晶体,沿三相线后退方向取向生长。溶剂蒸汽辅助下滴涂的PDBT-TT薄膜可以获得4.83的二向色性比,而直接滴涂薄膜只有1.43。通过对结晶成核,生长速率和生长方向的调节,实现高结晶取向薄膜的制备。
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