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復(fù)旦大學(xué)彭娟課題組 Chem. Mater.:苯并噻二唑基共軛高分子的溶液態(tài)聚集對(duì)薄膜態(tài)結(jié)晶取向的影響
2024-04-13  來(lái)源:高分子科技

  近年來(lái),共軛高分子的研究極大地帶動(dòng)和促進(jìn)了高分子學(xué)科與材料、半導(dǎo)體物理、信息等學(xué)科的交叉融合,是高分子領(lǐng)域的重要研究方向。共軛高分子的鏈結(jié)構(gòu)和凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)決定了材料的半導(dǎo)體物理性能。由于共軛高分子通常具有剛性主鏈和較長(zhǎng)的烷基側(cè)鏈,同時(shí)分子間存在多種弱相互作用,導(dǎo)致其凝聚態(tài)行為復(fù)雜。共軛高分子通過(guò)溶液方式進(jìn)行加工,溶液中的鏈構(gòu)象和聚集狀態(tài)會(huì)由于記憶效應(yīng)傳遞到薄膜態(tài)從而對(duì)薄膜結(jié)構(gòu)和性能產(chǎn)生重要影響。因此,解析和調(diào)控共軛高分子在溶液中的聚集狀態(tài),以及理解溶液態(tài)聚集如何影響其薄膜結(jié)構(gòu)和性能,有利于構(gòu)建這類體系各層次結(jié)構(gòu)性能的構(gòu)效關(guān)系。


  基于此,復(fù)旦大學(xué)彭娟課題組和長(zhǎng)春應(yīng)化所韓艷春研究員合作,以氟苯并噻二唑(FBT)基給體-受體(D-A)型共軛高分子(PFBTT-2TPFBTT-TT)為研究對(duì)象,揭示了兩種分子的共平面性和溶劑對(duì)溶液態(tài)聚集的影響,以及溶液聚集態(tài)影響體系在薄膜中結(jié)晶取向的機(jī)制和載流子傳輸性能。


  具體而言,密度泛函理論計(jì)算表明,PFBTT-2T的共軛長(zhǎng)度更長(zhǎng),給電子能力更強(qiáng),而PFBTT-TT的共平面性更好(圖1。他們研究了PFBTT-2TPFBTT-TT5種常見(jiàn)溶劑(三氯苯(TCB)、鄰二氯苯(ODCB)、氯苯(CB)、甲苯(TOL)、氯仿(CHCl3))中的聚集程度以及不同聚集態(tài)對(duì)成膜后的結(jié)晶取向的影響。通過(guò)紫外光譜、變溫紫外和熒光測(cè)定,TCBODCBFBT分子的良溶劑,分子在這兩種溶劑的聚集較弱;而TOLCHCl3FBT分子的相對(duì)不良溶劑,使得它們?cè)谌芤簯B(tài)聚集更強(qiáng)(圖2。在同一種溶劑CB中,平面性更好的PFBTT-TT的聚集程度強(qiáng)于PFBTT-2T。
隨后,他們研究了兩種分子在不同溶劑中的聚集對(duì)其在固態(tài)薄膜中結(jié)晶取向的影響(圖3。很有意思的是,當(dāng)PFBTT-2TPFBTT-TTTCBODCB溶液中聚集較弱時(shí),在薄膜中形成face-on為主的取向;而在TOLCHCl3溶液中聚集更強(qiáng)時(shí),則形成edge-on為主的取向。這是因?yàn)?/span>PFBTT-2TPFBTT-TTTCBODCB呈現(xiàn)較弱聚集時(shí),鏈構(gòu)象相對(duì)自由松散,使得分子鏈和基底之間的相互作用更有利,從而在溶劑揮發(fā)成膜呈現(xiàn)face-on的結(jié)晶取向。相反,這兩種分子TOLCHCl3中聚集程度更大,導(dǎo)致分子鏈間的相互作用大于和基底的相互作用,更有利于形成側(cè)鏈垂直于基底的edge-on取向。同樣地,經(jīng)過(guò)同一溶劑CB成膜后,平面性更好的PFBTT-TT形成edge-on取向,而平面性相對(duì)差的PFBTT-2T形成face-on取向。他們利用GIWAXS、在線XRD、AFM、TEM等手段細(xì)致研究了兩種FBT分子在溶液中的聚集態(tài)如何影響其結(jié)晶結(jié)構(gòu)和形貌,并將不同結(jié)晶結(jié)構(gòu)與有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件性能相關(guān)聯(lián)4。


1. PFBTT-2TPFBTT-TT的化學(xué)結(jié)構(gòu)、分子構(gòu)型、HOMO/LUMO軌道以及能級(jí)圖 


2. PFBTT-2TPFBTT-TT在五種不同溶劑TCB、ODCBCB、TOLCHCl3中的紫外吸收光譜、熒光光譜壽命以及溶液態(tài)聚集示意圖。 


3. PFBTT-2TPFBTT-TT通過(guò)不同溶劑形成的薄膜2D-GIWAXS結(jié)晶參數(shù)分析以PFBTT-2T薄膜的結(jié)晶取向示意圖。 


4. PFBTT-2TPFBTT-TT經(jīng)過(guò)不同溶劑形成薄膜的OFET器件性能。


  該工作為深入理解剛性共軛高分子的溶液聚集以及和薄膜結(jié)晶取向的關(guān)聯(lián)提供了一定的見(jiàn)解。論文第一作者為復(fù)旦大學(xué)博士生駱雪冰。


  文章鏈接:https://doi.org/10.1021/acs.chemmater.3c03330.

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