In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Mingfei Xiao e un team di scienziati interdisciplinari e internazionali nel Regno Unito, Arabia Saudita, Australia, India, Cina e Belgio, ha studiato la fisica del trasporto di carica di una classe precedentemente non identificata di polimeri coniugati. Ci si aspetta che tali polimeri si comportino come barre rigide, però, non si sa molto della loro effettiva conformazione a catena e struttura elettronica. In questo lavoro, Xiao et al. ha dettagliato uno studio delle proprietà strutturali e di trasporto di carica di una famiglia di quattro di questi polimeri basati su sistemi derivati ​​da antracene (AN1 e AN2) e naftalene (NN1 e NN2). Adottando design in copolimero, il team ha raggiunto elevate mobilità degli elettroni fino a 0,5 cm ² V ^-1 S ^-1 . Questo lavoro fornisce importanti informazioni sul fattore che limita il trasporto di carica in questa classe unica di polimeri per consentire l'identificazione di strategie molecolari per raggiungere livelli più elevati di prestazioni.

Polimeri coniugati

I polimeri coniugati sono attraenti per una vasta gamma di applicazioni su display, bioelettronica ed elettronica di grandi dimensioni a causa della loro grande area, bassa temperatura, deposizione di fabbricazione basata su soluzione con catene laterali solubilizzanti. Comprendendo le conformazioni della catena a livello molecolare, i ricercatori mirano a rilevare le relazioni struttura-proprietà nei sistemi di polimeri coniugati. In un nuovo rapporto, Xiao et al. indagato sistematicamente le conformazioni della catena, lunghezze di persistenza, microstruttura, disordine energetico e proprietà di trasporto di carica in quattro di questi polimeri etichettati NN1, NN2, AN1 e AN2. Hanno confrontato la stabilità all'aria di questi quattro polimeri con il polimero carente di elettroni ampiamente studiato noto come P(ND120D-T2). La strategia può migliorare le proprietà di trasporto di carica in altri polimeri a barre rigide e promuoverà la cristallinità e la mobilità. I ricercatori hanno quindi caratterizzato la dipendenza dal peso molecolare delle proprietà di trasporto di carica utilizzando lo scattering di raggi X grandangolare a incidenza radente (GIWAXS), per comprendere la microstruttura del film, quantificando il disturbo energetico tramite spettroscopia di deflessione fototermica (PDS) e modellistica quantistica. Xiao et al. ha utilizzato lo scattering di neutroni a piccolo angolo (SANS) per quantificare le lunghezze di persistenza e la risonanza di spin dell'elettrone indotta dal campo per quantificare i tempi di salto di carica e le lunghezze di salto nei transistor organici ad effetto di campo (OFETS) funzionanti per mostrare come una lunga lunghezza di persistenza ha facilitato buone proprietà di trasporto di carica . Il lavoro mira a identificare ulteriori strategie per migliorare le proprietà di trasporto di carica di una classe unica di polimeri coniugati.

Durante gli esperimenti, Xiao et al. notato che il polimero AN1 ha causato problemi di sintesi a causa della limitata solubilità. Hanno anche notato che l'assorbimento vibronico ben risolto nella regione del vicino infrarosso con il polimero AN2 suggerisce un grado minore di disordine energetico. L'affinità elettronica tra i polimeri era nell'intervallo tra -4,1 e -4,2 eV e l'elevata affinità elettronica ha consentito un buon trasporto di elettroni stabile all'aria in questi polimeri. Gli scienziati hanno eseguito esperimenti SANS (dispersione di neutroni a piccolo angolo) su soluzioni di NN1, Polimeri fusi NN2 e AN2 per comprenderne le proprietà. I risultati hanno confermato che il polimero AN2 mantiene il peso molecolare maggiore. Le caratteristiche generali del SANS erano simili per NN1, NN2, e polimeri AN2 dove era visibile una rapida diminuzione dell'intensità di scattering per grandi vettori di scattering. I risultati hanno evidenziato che i tre polimeri sono significativamente più rigidi e meno flessibili rispetto al polimero di prova P(ND120D-T2). L'architettura dei materiali con una natura rigida simile a un'asta distingueva chiaramente questi materiali da altri polimeri coniugati più tradizionali.

Scattering di raggi X grandangolare ad incidenza radente (GIWAXS) e spettroscopia di deflessione fototermica (PDS)

I modelli GIWAXS per i tre polimeri fusi hanno anche mostrato trame bimodali con cristalliti frontali e laterali coesistenti all'interno dei campioni. Il team ha notato differenze tra i tre polimeri, dove i campioni NN1 hanno mostrato una trama frontale e NN2 e AN2 hanno indicato una popolazione di taglio significativa. I risultati di GIWAXS hanno fornito prove di una microstruttura a film sottile semicristallina altamente ordinata con interazioni intercatena pronunciate e impilamento -π ravvicinato. Per poi indagare il disordine energetico allo stato solido dei materiali, Xiao et al. utilizzato spettroscopia di deflessione fototermica (PDS) e misurato l'allargamento della coda di assorbimento ottico sotto il bordo della banda. Sia i polimeri AN1 che AN2 (derivati ​​da antracene) hanno mostrato un disordine energetico inferiore rispetto ai sistemi derivati ​​​​da naftalene NN1 e NN2. Per comprendere l'origine del disordine a bassa energia nei polimeri, Xiao et al. simulato la superficie di energia potenziale conformazionale dei sistemi rappresentativi. Gli scienziati hanno attribuito il minore disordine energetico termico per AN rispetto a NN alla diffusione del sistema π nei polimeri di antracene rispetto a naftalene.

Indagare le proprietà di trasporto di carica

Per poi comprendere le proprietà di trasporto di carica di diversi polimeri, Xiao et al. sviluppato spin-rivestito, cancello superiore, OFET (transistor organici ad effetto di campo) a contatto inferiore che utilizzano un materiale dielettrico in polimetilmetacrilato (PMMA). I dispositivi hanno mostrato caratteristiche di trasporto ambipolare, dove gli scienziati hanno notato le più alte mobilità in AN2 con corrispondenti grandi cambiamenti nell'energia degli orbitali molecolari liberi più bassi (LUMO) con la lunghezza della catena. Hanno accreditato i risultati aggiuntivi al disordine energetico residuo, riempimento di trappole o interazioni elettrone-elettrone degli OFET polimerici semicristallini. A pesi molecolari fissi, sia AN2 che NN2 hanno mostrato una maggiore mobilità dei portatori rispetto ai polimeri AN1 e NN1. Le energie di attivazione di tutti e quattro i polimeri hanno raggiunto circa 100 meV:paragonabili ad altri OFET polimerici semicristallini ad alte prestazioni. Il team ha attribuito l'elevata energia di attivazione all'energia di riorganizzazione dei materiali. Hanno anche condotto onde continue, risonanza di spin elettronica indotta dal campo (FI-ESR) per studiare la dinamica di spin del polarone e ottenere informazioni sulle corrispondenti dinamiche di carica dei materiali. I risultati hanno fornito informazioni sull'accoppiamento tra spin degli elettroni e modi vibrazionali.

In questo modo, Mingfei Xiao e colleghi hanno raccolto prove dirette per realizzare il comportamento dell'asta rigida in polimeri coniugati contenenti solo legami a doppio legame tra le unità coniugate dell'anello fuso. Tali sistemi possono mantenere l'esclusiva natura rigida di questi polimeri per ottenere energie di disordine più basse e energie di riorganizzazione per facilitare il potenziale per raggiungere mobilità dei portatori di carica ancora più elevate che superano i sistemi all'avanguardia esistenti.

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