Summary

Мониторинг эффекты освещения на структуре конъюгированные полимер гели с помощью нейтронного рассеяния

Published: December 21, 2017
doi:

Summary

Протокол для анализа гели, образуются из оптоэлектронных конъюгированных полимера poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) с помощью небольших и ультра-малых угол рассеяния нейтронов в присутствие и отсутствие освещения представлен.

Abstract

Мы демонстрируем протокол к эффективно контролировать процесс Желирование при высокой концентрации раствора конъюгированные полимер как в присутствии и отсутствии белый освещенности. Путем введения контролируемой температуре рамп, гелеобразования этих материалов могут точно контролироваться как они перейти через этот структурной эволюции, которая эффективно отражает условия опытных во время этапа решения осаждения органических изготовление электронных устройств. С помощью малоуглового рассеяния нейтронов (SAN) и ультра-малых угол рассеяния нейтронов (USANS) наряду с протоколами соответствующую установку мы количественно эволюция выберите структурных параметров на протяжении всего этого процесса. Тщательный анализ указывает, что продолжение освещенности на протяжении всего процесса гелеобразования значительно изменяет структуру в конечном счете сформированных геля. В частности, процесс агрегирования агрегатов нано-poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) негативно затронутых присутствием освещения, в конечном счете обусловило замедление роста в конъюгированные полимер микроструктур и формирование небольших масштабах макро агрегат кластеров.

Introduction

Конъюгированные полимеры обещают функциональных материалов, которые могут быть использованы в широком диапазоне устройств, таких как органические светоизлучающие диоды, Органические полупроводники, химические датчики и органических фотогальванических. 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 важнейшим аспектом производительности в этих устройств является заказ и упаковка конъюгированные полимер в твердом состоянии в активном слое. 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 этот морфология во многом заранее определяется конформация полимерной цепи в решения, а также структур, которые развиваются, как эти решения приводятся к подложке и растворитель удаляют. Изучая структур на всей территории типичной золь гель перехода модель оптоэлектронных полимера в подходящего растворителя, эти системы можно эффективно моделировать и количественных заглянуть в самостоятельной сборки, происходит во время материала осаждения может быть получен. 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20

В частности мы рассмотрим конъюгированные полимер ориентир P3HT в жидкостной транс Орто дихлорбензол (ODCB), полимер растворитель системы, которая стала свидетелем широкого использования из-за своей пригодности для различных органических электронное устройство изготовление методы. 23 , 24 , 25 в этой конкретной среде растворителей, P3HT цепи начинают объединять на соответствующих экологических раздражителей, таких как снижение температуры или потери растворителя качества. Точный механизм для этой Ассамблеи процесс находится под следствием, с одной из ведущих предлагаемых путей, как считается, быть постепенным процессом, где отдельные P3HT молекул π-стек сформировать пластинчатые нано агрегаты, известный как nanofibrils, который затем сами пробка корковая агломерат для формирования больших микрон масштаба макро агрегатов. 24 понимание этих путей и результирующей структуры формируется является ключом к правильно предсказывая и влияющих на формирование оптимального устройства активного слоя морфологии.

К этой конечной цели более точно направляя формирования этих архитектур активного слоя существует необходимость в разработке дополнительных экспериментальных и промышленных методов для недеструктивного изменения конъюгированные полимер морфология in situ. Одна сравнительно новой методологии центров вокруг использования освещенности как недорогое средство для изменения морфологии цепи полимера, с вычислительной и экспериментальных результатов, указывая на его осуществимости. 25 , 26 , 27 последние работы нашей лабораторией указал существование света индуцированные изменения конъюгированные полимер растворитель взаимодействия в разбавленный раствор, приводит к заметным изменениям в полимерной цепи размер после освещения. 30 , 31 здесь, мы представляем протокол продолжить эту работу путем эффективного контроля за последствиями подвергая гораздо более концентрированный раствор конъюгированные полимер для прямого света во всем гелеобразования процесса, который управляется термостатом контролируемой Температура пандуса. Мы используем нейтронного рассеяния, как он позволяет надежный анализ структурных параметров системы полимер растворитель золь гель на длину весы от ангстремы мкм, способность не представляется возможным через другие более общие реологических или спектральные инструментальная методы. 16 , 17 , 30 , 31 таким образом, сравнивая должным образом проанализированы малых и ультра-малых угол нейтрона данных для Ассамблеи гели формируется под освещение для одинаковых данных, собранных в полной темноте, структурные различия, вызванные ориентированных на освещение эффекты можно всесторонне выявлять и количественно.

Protocol

Все обработки химических веществ должен осуществляться с надлежащего личного защитного оборудования и безопасности Худ. Все образцы подвергаются действию ионизирующего излучения должны рассматриваться под наблюдением услуги техников радиационного контроля. Этот протокол была исп?…

Representative Results

Через SANS и USANS эксперименты, гелеобразования процесс P3HT в d-ODCB эффективно контролируется от рассеянных решение государства при 70 ° C полностью загущенное состояние при 20 ° C. Эти эксперименты были проведены в обеих полной темноте и под белый свет освещение. Ри…

Discussion

Во-первых глядя на данные SANS как функция температуры, увеличение масштаба эллиптического цилиндра модель указывает на заметное увеличение количества P3HT в фазе nanofibril, который isconsistent с прогрессированием гелеобразования процесс . Одновременно уменьшение свободной цепи Rg в паре с у…

Offenlegungen

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы с благодарностью признают Национальный научный фонд (DMR-1409034) для поддержки этого проекта. Мы также признаем поддержку национального института стандартов и технологии США министерство торговли, в предоставлении USANS объектов, используемых в этой работе, где эти объекты поддерживаются частично национального научного фонда по соглашению LOL DMR-0944772. SANS эксперименты этого исследования были завершены в ORNL в высокий поток изотопа реактора, который был организован научный отдел помещений пользователя, Управление основных энергетических наук, министерства энергетики США.

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