Summary

Overvåke effekten av lys på strukturen i konjugert Polymer Gels med Neutron spredning

Published: December 21, 2017
doi:

Summary

En protokoll for analyse av gels dannet fra Optoelektronisk konjugert polymer poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) bruker små og svært liten vinkel neutron spredning i både tilstedeværelse og fravær av belysning er presentert.

Abstract

Vi viser en protokoll for å effektivt overvåke gelation prosessen med en høy konsentrasjon løsning av konjugert polymer både tilstedeværelse og fravær av hvite lyseksponering. Ved å igangsette en kontrollert temperatur rampe, kan gelation av disse materialene nettopp overvåkes når de fortsetter gjennom denne strukturelle utviklingen, som effektivt gjenspeiler betingelsene erfarne i løsningen deponering fasen av organisk elektronisk innretning fabrikasjon. Liten vinkel neutron spredning (San) og ultra liten vinkel neutron spredning (USANS) sammen med passende passende protokoller kvantifisere vi utviklingen av Velg strukturelle parametere prosessen. Grundige analyser viser at fortsatt eksponering gjennom gelation prosessen betydelig endrer strukturen til slutt dannet gel. Spesielt samling prosessen av poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) nano-skala aggregater er negativt påvirket av tilstedeværelsen av belysning, i retardasjon vekst i konjugert polymer microstructures og dannelsen av mindre skala makro-gjennomsnitt klynger.

Introduction

Konjugert polymerer lover funksjonelle materialer som kan benyttes i en rekke enheter, for eksempel økologiske lys emitting diodes, organisk halvledere, kjemiske sensorer og organisk solcellepanel. 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 en avgjørende del av ytelsen i disse enhetene er bestilling og pakking av konjugert polymer i solid tilstand som det aktive laget. 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 dette morfologi hovedsakelig pre bestemmes av både konformasjon av polymer kjeden i løsning samt strukturer som disse løsningene er støpt til et substrat og løsemiddelet fjernes. Ved å studere strukturer stede gjennom en typisk sol-gel overgang av en modell Optoelektronisk polymer i et egnet løsemiddel, disse systemene kan være effektivt modellert og en kvantitativ glimt inn i det selv-montering som oppstår under materiale avsetning kan skaffes. 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20

Spesielt undersøke vi konjugert polymer referanseporteføljen P3HT i den løsemiddel deuterated Orto-dichlorobenzene (ODCB), en polymer-betalingsevne system som har sett utstrakt bruk på grunn av sin egnethet for en rekke organiske elektronisk apparat fabrikasjon teknikker. 23 , 24 , 25 i dette gitt løsemiddel miljø, P3HT kjeder begynner å samle på en passende miljømessige stimuli, som temperatur reduksjon eller tap av løsemiddel kvalitet. Den eksakte mekanismen for denne samlingen prosessen er under etterforskning, med en av de ledende foreslåtte antas for å være en gradvis prosess der individuelle P3HT molekyler π stabel å danne lamellær nano-aggregater kjent som nanofibrils, som deretter seg selv samlingen av planeter for å danne større mikron skala makro-aggregat. 24 forstå disse banene og de resulterende strukturene dannet er nøkkelen til riktig forutse og påvirker dannelsen av optimal enheten aktive laget morphologies.

Mot denne endelige mål mer presist regi dannelsen av disse aktive laget arkitekturer, finnes det et behov for å utvikle mer eksperimentelle og industrielle metoder for å endre ikke-destructively konjugert polymer morfologi på plass. En relativt ny metode sentre rundt bruk av lyseksponering som en rimelig måte for å endre polymer kjeden morfologi, med både beregningsorientert og eksperimentelle resultatene peker mot sin gjennomførbarhet. 25 , 26 , 27 siste arbeid av vårt laboratorium har indikerte eksistensen av en lys indusert endring av konjugert polymer-betalingsevne samspillet i en fortynnet løsning, fører til en merkbar endring i polymer kjeden størrelse på belysning. 30 , 31 Her presenterer vi en protokoll for å fortsette dette arbeidet ved å effektivt overvåke effekten av utsette en mye mer konsentrert konjugert polymer løsning lys gjennom en gelation prosess som er regissert av en termostat-kontrollerte temperatur rampen. Vi bruker neutron spredning som det gir robust analyse av strukturelle parametere av polymer-betalingsevne sol-gel på lengden skalerer fra Ångstrøm til mikron, en evne ikke mulig gjennom andre mer vanlige reologiske eller spektroskopiske instrumental metoder. 16 , 17 , 30 , 31 derfor ved å sammenligne riktig analysert liten og ultra liten vinkelen neutron data for montering av gels dannet under belysning identiske data samlet i fullstendig mørke, strukturelle forskjeller av belysning-drevet effekter kan være omfattende identifisert og kvantifisert.

Protocol

Alle håndtering av kjemikalier skal utføres med riktig personlig verneutstyr og innen sikkerhet hette. Alle prøver utsatt for ioniserende stråling skal håndteres under oppsyn av fasiliteter radioaktivt kontroll teknikere. Denne protokollen ble utført av personer som hadde fullført aktuelle stråling sikkerhetsopplæring. 1. forberedelse på P3HT i d-ODCB løsninger Prøven oppkjøp Kjøp 1 g høy regioregularity (> 90%) P3HT i Molekylvekten s…

Representative Results

Gjennom SANS og USANS eksperimenter, gelation prosessen med P3HT i d-ODCB var effektivt overvåkes fra spredt løsning staten på 70 ° C til en fullt gelled tilstand på 20 ° C. Disse eksperimentene ble utført i begge stummende mørke og under hvitt lys belysning. Figur 1 viser noen eksempel SANS redusert data kurver fra disse eksperimentene, med et eksempel kurve vist i figur 2. Fra disse dataene, strukturelle endringer forek…

Discussion

Først viser ser på SANS dataene som en funksjon av temperatur, økningen i elliptiske sylindret modell skaleringsfaktoren en markant økning i P3HT i nanofibril-fasen, som isconsistent med utviklingen av gelation behandle . Samtidig nedgang i gratis kjeden Rg forbundet med en økning i Porod eksponent avslører at forverret termodynamisk betingelsene knyttet temperatur redusere forårsaker en kjede kollaps i P3HT kjeder fremdeles på løsning. Disse resultatene, kombinert med den USANS data viser en markert …

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Forfatterne erkjenner takknemlig National Science Foundation (DMR-1409034) for støtte til dette prosjektet. Vi erkjenner også støtte fra National Institute of Standards og teknologi, US Department of Commerce, i å USANS brukt i dette arbeidet, hvor fasilitetene støttes delvis av National Science Foundation under avtalen nei. DMR-0944772. SANS eksperimenter av denne forskningen ble gjennomført på ORNLS høy Flux isotop reaktoren, som ble sponset av vitenskapelige bruker fasiliteter divisjon, Office for energi basalfag, US Department of Energy.

Materials

M(106) poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) Ossila 104934-50-1 Conjugated polymer
deuterated 1,2 ortho-dichlorobenzene (ODCB) Sigma Aldrich AC321260050 solvent

Referenzen

  1. Günes, S., Neugebauer, H., Sariciftci, N. S. Conjugated Polymer-Based Organic Solar Cells. Chem. Rev. 107 (4), 1324-1338 (2007).
  2. Burroughes, J. H., et al. Light-Emitting Diodes Based on Conjugated Polymers. Letters to Nature. 347, 539-541 (1990).
  3. Coakley, K. M., McGehee, M. D. Conjugated Polymer Photovoltaic Cells. Chem. Mater. 16 (23), 4533-4542 (2004).
  4. Tyler McQuade, D., Pullen, A. E., Swager, T. M. Conjugated Polymer-Based Chemical Sensors. Chem. Rev. 100 (7), 2537-2574 (2000).
  5. Wang, X., et al. Self-Stratified Semiconductor/dielectric Polymer Blends: Vertical Phase Separation for Facile Fabrication of Organic Transistors. J. Mater. Chem. C. 1 (25), 3989 (2013).
  6. Segalman, R., McCulloch, B., Kirmayer, S., Urban, J. Block Copolymers for Organic Optoelectronics. Macromolecules. 42 (23), 9205-9216 (2009).
  7. Chen, H., Hsiao, Y., Hu, B., Dadmun, M. Control of Morphology and Function of Low Band Gap Polymer-bis-Fullerene Mixed Heterojunctions in Organic Photovoltaics with Selective Solvent Vapor Annealing. J. Mater. Chem. A. 2, 9883 (2014).
  8. Li, Y., Vamvounis, G., Holdcroft, S. Tuning Optical Properties and Enhancing Solid-State Emission of Poly (Thiophene) S by Molecular Control: A Postfunctionalization Approach. Macromolecules. 35, 6900-6906 (2002).
  9. Nguyen, T. -. Q., Martini, I. B., Liu, J., Schwartz, B. J. Controlling Interchain Interactions in Conjugated Polymers: The Effects of Chain Morphology on Exciton−,Exciton Annihilation and Aggregation in MEH−,PPV Films. J. Phys. Chem. B. 104 (2), 237-255 (2000).
  10. Chen, H., Hu, S., Zang, H., Hu, B., Dadmun, M. Precise Structural Development and Its Correlation to Function in Conjugated Polymer: Fullerene Thin Films by Controlled Solvent Annealing. Adv. Funct. Mater. 23, 1701-1710 (2013).
  11. Schwartz, B. J. Conjugated Polymers as Molecular Materials: How Chain Conformation and Film Morphology Influence Energy Transfer and Interchain Interactions. Annu. Rev. Phys. Chem. 54 (3), 141-172 (2003).
  12. Haugeneder, A., et al. Exciton Diffusion and Dissociation in Conjugated Polymer/fullerene Blends and Heterostructures. Phys. Rev. B. 59 (23), 15346-15351 (1999).
  13. Sirringhaus, H., et al. Two-Dimensional Charge Transport in Self-Organized, High-Mobility Conjugated Polymers. Nature. 401 (6754), 685-688 (1999).
  14. Al-Ibrahim, M., Ambacher, O., Sensfuss, S., Gobsch, G. Effects of Solvent and Annealing on the Improved Performance of Solar Cells Based on poly(3-Hexylthiophene): Fullerene. Appl. Phys. Lett. 86, 201120 (2005).
  15. Koppe, M., et al. Influence of Molecular Weight Distribution on the Gelation of P3HT and Its Impact on the Photovoltaic Performance. Macromolecules. 42, 4661-4666 (2009).
  16. Malik, S., Jana, T., Nandi, A. K. Thermoreversible Gelation of Regioregular poly(3-Hexylthiophene) in Xylene. Macromolecules. 34 (2), 275-282 (2001).
  17. Xu, W., et al. Sol–gel Transition of poly(3-Hexylthiophene) Revealed by Capillary Measurements: Phase Behaviors, Gelation Kinetics and the Formation Mechanism. Soft Matter. 8, 726 (2012).
  18. Chan, K. H. K., Yamao, T., Kotaki, M., Hotta, S. Unique Structural Features and Electrical Properties of Electrospun Conjugated Polymer poly(3-Hexylthiophene) (P3HT) Fibers. Synth. Met. 160 (23-24), 2587-2595 (2010).
  19. Wicklein, A., Ghosh, S., Sommer, M., Würthner, F., Thelakkat, M. Self-Assembly of Semiconductor Organogelator Nanowires for Photoinduced Charge Separation. ACS Nano. 3 (5), 1107-1114 (2009).
  20. Newbloom, G. M., Weigandt, K. M., Pozzo, D. C. Electrical, Mechanical, and Structural Characterization of Self-Assembly in poly(3-Hexylthiophene) Organogel Networks. Macromolecules. 45, 3452-3462 (2012).
  21. Li, L., Tang, H., Wu, H., Lu, G., Yang, X. Effects of Fullerene Solubility on the Crystallization of poly(3-Hexylthiophene) and Performance of Photovoltaic Devices. Org. Electron. physics, Mater. Appl. 10 (7), 1334-1344 (2009).
  22. Bu, L., Pentzer, E., Bokel, F. A., Emrick, T., Hayward, R. C. Growth of Polythiophene / Perylene Tetracarboxydiimide Donor / Acceptor Shish-Kebab Nanostructures by Coupled Crystal Modi Fi Cation. ACS Nano. 6 (12), 10924-10929 (2012).
  23. Yang, X., et al. Nanoscale Morphology of High-Performance Polymer Solar Cells. Nano Lett. 5 (4), 579-583 (2005).
  24. Newbloom, G. M., Kim, F. S., Jenekhe, S. a., Pozzo, D. C. Mesoscale Morphology and Charge Transport in Colloidal Networks of Poly(3-Hexylthiophene). Macromolecules. 44, 3801-3809 (2011).
  25. Tretiak, S., Saxena, A., Martin, R., Bishop, A. Conformational Dynamics of Photoexcited Conjugated Molecules. Phys. Rev. Lett. 89 (9), 97402 (2002).
  26. Botiz, I., Freyberg, P., Stingelin, N., Yang, A. C. -. M., Reiter, G. Reversibly Slowing Dewetting of Conjugated Polymers by Light. Macromolecules. 46, 2352-2356 (2013).
  27. Botiz, I., et al. Enhancing the Photoluminescence Emission of Conjugated MEH-PPV by Light Processing. ACS Appl. Mater. Interfaces. 6 (7), 4974-4979 (2014).
  28. Morgan, B., Dadmun, M. D. Illumination Alters the Structure of Gels Formed from the Optoelectronic Material P3HT. Polymer. 108, 313-321 (2017).
  29. Morgan, B., Dadmun, M. D. Illumination of Conjugated Polymer in Solution Alters Its Conformation and Thermodynamics. Macromolecules. 49 (9), 3490-3496 (2016).
  30. Ilavsk, M. Phase Transition in Swollen Gels. 2. Effect of Charge Concentration on the Collapse and Mechanical Behavior of Polyacrylamide Networks. Macromolecules. 15, 782-788 (1982).
  31. Tanaka, T. Collapse of Gels and the Critical Endpoint. Phys. Rev. Lett. 40 (12), 820-823 (1978).
  32. . SANS & USANS Data Reduction and Analysis Available from: https://www.ncnr.nist.gov/programs/sans/data/red_anal.html (2017)
  33. Feigin, L., Svergun, D. . Structure Analysis by Small-Angle X-Ray and Neutron Scattering. , (1987).
  34. Mittelbach, P. Zur Rontgenkleinwinkelstreuung verdunnter kolloider systeme. Acta Phys. Austriaca. 14, 185-211 (1961).
  35. Schulz, G. Z. Über die Kinetik der Kettenpolymerisationen. Z. Phys. Chem. 43, 25 (1935).
  36. . Neutron activation and scattering calculator Available from: https://www.ncnr.nist.gov/resources/activation (2017)
  37. Kline, S. R. Reduction and Analysis of SANS and USANS Data Using IGOR Pro. J. Appl. Crystallogr. 39 (6), 895-900 (2006).
  38. Guinier, A., Fournet, G. . Small-Angle Scattering of X-Rays. , (1955).
check_url/de/56163?article_type=t

Play Video

Diesen Artikel zitieren
Morgan, B., Rinehart, S. J., Dadmun, M. D. Monitoring the Effects of Illumination on the Structure of Conjugated Polymer Gels Using Neutron Scattering. J. Vis. Exp. (130), e56163, doi:10.3791/56163 (2017).

View Video