Summary

中性子散乱法を用いた共役高分子ゲルの構造に対する光照射効果のモニタリング

Published: December 21, 2017
doi:

Summary

光から形成されたゲルの分析のためのプロトコル共役高分子 poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) 小さなを使用して、プレゼンスと照明の有無の両方で超小角中性子散乱が提示されます。

Abstract

Π 共役系高分子の存在の両方の高濃度溶液と白い光の不在のゲル化過程を効果的に監視するためのプロトコルを示す.制御温度の傾斜路を設けることによってこれらの材料のゲル化正確に監視できる効果的に有機のソリューション蒸着フェーズ中に発生した条件を模したこの構造の進化を進める彼らされました。電子デバイス作製。中性子小角散乱 (SAN) と適切なフィッティング プロトコルと共に超小角中性子散乱 (USANS) を使用してこのプロセスを通して選択構造パラメーターの進化を定量化します。徹底的な分析は、ゲル化過程の中で継続的な露光が最終的に形成されたゲルの構造を大幅変更されることを示します。具体的には、poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) ナノ集合体の凝集過程が最終的に共役ポリマー微細構造の成長の遅滞の結果、照明の存在によって低下し、小さいスケールのマクロ集計クラスターの形成。

Introduction

共役ポリマーは、有機発光ダイオード、有機半導体、化学センサー、有機薄膜太陽電池などのデバイスの広い範囲で活用できる材料をお約束します。1,2,3,4,5,6これらのデバイスのパフォーマンスの重要な側面は順序および共役高分子活性層の固体状態での梱包です。7,8,9,10,11,12,13,14この形態は主によってあらかじめ決定ソリューションだけでなく、これらのソリューションが基板にキャストし、溶媒を除去として進化構造高分子鎖のコンフォメーションの両方。適当な溶剤でモデル光ポリマーの典型的なゾル-ゲル転移全体に存在の構造を研究することによってこれらのシステム効果的にモデル化できると定量的垣間見る、自己組織化材料蒸着中に発生得られます。15,16,17,18,19,20

具体的には、検討、溶媒重水素オルト-ジクロロ ベンゼン (ODCB)、さまざまな有機電子デバイス作製のための適合性のための広範な使用を見ている高分子-溶媒系の共役高分子ベンチマーク P3HTテクニック。23,24,25この特定の溶媒環境では P3HT チェーンなど適切な環境刺激の時に集計を開始温度や溶媒の品質の損失。このアセンブリ プロセスは主要な提案された経路の 1 つで、調査中のため本人漸進的なプロセスであると考えられている正確なメカニズム P3HT 分子 π-スタック nanofibrils、その後、彼ら自身と呼ばれる層状のナノ集合体を形成するには凝集大きいミクロン スケール マクロ会合体を形成します。24これらの経路と結果の構造形成を理解することは正しく予測し、最適なデバイスのアクティブなレイヤーの形態形成に影響を与えるキーです。

正確にこれらのアクティブなレイヤー アーキテクチャの形成を監督の究極の目標に向かって非破壊的共役ポリマー形態の in-situ を変更する追加実験と産業方式を開発する必要性が存在します。1 つの比較的新しい方法論を中心に安価な手段としてその可能性に向かって指して計算と実験の結果と高分子鎖の形態を変更するための露光の使用。25,26,27最近の私たちの研究室での作業は照明にポリマー チェーン サイズの顕著な変更につながる、希薄溶液における共役高分子-溶媒相互作用の光誘起変化の存在を示しています。30,31 、ここで提案するサーモスタット制御によって指示されるゲル化過程を通して直接光に多く集中している共役高分子溶液を公開することの影響を効果的に監視することによってこの仕事を継続するためのプロトコル温度ランプ。中性子散乱を用いてミクロン、他のより一般的なレオロジーや分光学的楽器を通じて不可能能力をオングストロームから長さスケールで高分子-溶媒ゾル-ゲル系の構造パラメーターのロバスト解析できるのでメソッド。16,17,30,31 、正しく分析小・極小角を比較することにより中性子とゲルのアセンブリのデータ形成される照明駆動によってもたらされる構造的な違い完全な暗闇の中で収集された同一のデータへの照明の下で効果を包括的に識別して定量化することができます。

Protocol

化学物質のすべての処理は、適切な個人用保護具と安全フード内で実施する必要があります。電離放射線にさらされる、すべてのサンプルは、施設放射性管理技術者の監督の下処理必要があります。このプロトコルは、適切な放射線安全教育を終了した個人によって行われました。 1. d ODCB ソリューションで P3HT の準備 サンプルの収集 高ポ…

Representative Results

を介して SAN と USANS 実験、d ODCB P3HT のゲル化過程は 20 ° C で完全にゲル化状態に 70 ° C で分散したソリューション状態から監視が効果的これらの実験は、両方の完全な暗闇の中で、白色光の照明の下で行った。図 1には、これらの実験から近似例曲線を図 2に示すようにいくつかの例を削減 SAN データ曲線が表示されます。?…

Discussion

まず、温度の関数として SAN データを見ると、楕円シリンダー モデル尺度の増加 P3HT ゲル化反応の進行にどの一致処理 nanofibril 相に存在量の著しい増加を示します.同時に、フリー チェーン Rgの減少は悪化の熱力学条件温度に関連付けられて減少指数を明らかには今も P3HT チェーンでチェーン崩壊を引き起こしている前処理の増加と共にソリューションです。マークを示す USANS デー?…

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

著者では、全米科学財団 (DMR-1409034) を感謝するこのプロジェクトのサポートのため。この作業で使用するこれらの施設をサポートする部分で全米科学財団によって契約の下で USANS 施設で商業、技術、米国商務省国立標準研究所のサポートを認めなければ違います。DMR-0944772。この研究の SAN の実験は、オークリッジ国立研究所の高流束同位体の原子炉で、科学的なユーザー設備部門、基本的なエネルギー科学のオフィス、米国エネルギー省によって後援された完了しました。

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

References

  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/56163?article_type=t

Play Video

Cite This Article
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