噻吩類共軛高分子作為苝二醯亞胺結晶添加劑的研究

《噻吩類共軛高分子作為苝二醯亞胺結晶添加劑的研究》是依託西安交通大學，由卜臘菊擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：噻吩類共軛高分子作為苝二醯亞胺結晶添加劑的研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：卜臘菊
• 依託單位：西安交通大學

中文摘要

聚合物作為添加劑控制晶體成核、生長和聚集，普遍存在於生物礦化、極寒地區生物抗冰凍等自然現象中，亦被廣泛套用於仿生材料合成、藥物製備、食品加工與保鮮、管道防堵塞等科學研究和工業生產中。有機半導體的晶體結構與其光電性質息息相關，但能控制其結晶的添加劑卻鮮有報導。與常見結晶添加劑與目標分子間的強相互作用相比，如靜電力、離子鍵、氫鍵等，有機共軛分子間的弱相互作用，如π-π和偶極相互作用，難於形成有效的調控作用。我們前期工作發現聚噻吩可以作為添加劑調控苝二醯亞胺（PDI）的晶體結構，並形成類膠體穩定的納米晶分散液。本項目將通過最佳化聚噻吩的分子結構，來找到影響聚噻吩與PDI間相互作用力的結構因素，並據此開發新的共軛高分子，以期增強此作用力來達到更有效、精確的調控，進而提高其光電性能。本研究結果將有助於理解共軛分子間相互作用，為調控有機半導體晶體結構提供新的思路，並為未來有機電子器件的溶液加工奠定基礎。

結題摘要

結晶添加劑可以控制晶體的成核、生長和聚集。普遍存在於自然界和工業生產中，如生物礦化、藥物製備等。有機半導體的晶體結構與其光電性質息息相關。本項目致力於探索噻吩類共軛高分子作為苝二醯亞胺（PDI）結晶添加劑的分子相互作用機理，並研究所得晶態結構的光電性能。常見結晶添加劑與目標分子間是強相互作用，如靜電力、離子鍵、氫鍵等。而有機共軛分子間常為弱相互作用，如π-π和偶極相互作用。通過研究聚噻吩與PDI不同晶面之間的相互作用，我們排除了π-π相互作用力是聚噻吩與PDI晶體間的主導力，而PDI氮原子上的烷基鏈與聚噻吩主鏈的相互作用力是主導。通過改變聚噻吩的分子量、區域規整度、烷基鏈結構、主鏈上共軛單元結構，以及改變PDI氮原子上的烷基鏈、灣區取代基，我們研究了一系列噻吩類共軛高分子在PDI結晶過程中的作用。對聚噻吩，分子量越大，區域規整度越高，其與PDI晶面間的相互作用力越強。在聚噻吩主鏈上引入氟原子，可以增大聚噻吩主鏈的共平面性，增強聚噻吩與苝二醯亞胺晶面間的相互作用。雖然選用共軛平面更大的單元可以帶來更強的范德華力，如並噻吩、苯並二噻吩、異靛藍等，但是這類聚合物與苝二醯亞胺晶面間的相互作用並沒有增強，反而下降了。推測這類聚合物的結構參數與苝二醯亞胺的晶格參數不匹配。結論，共軛高分子作為結晶添加劑有一定的普適性，共軛單元結構、鍵合方式、分子量等都有影響。另外，在檢測聚噻吩薄膜結構時，我們發現電漿可以選擇性的刻蝕表面，而不破壞下層聚噻吩。從而開發出了基於電漿刻蝕的薄膜斷層分析技術，發明了原位薄膜斷層吸收光譜儀並獲批專利1項。通過該分析技術，我們測試了一系列含有機半導體的非均勻薄膜的結構，從而製備了高遷移率的薄膜電晶體和高能量轉換效率的有機太陽電池。該項目結果將有助於製備和檢測多組分複合的高性能有機半導體薄膜。標註該基金的相關工作發表在Adv. Mater、Phys. Rev. Applied、Adv. Electron. Mater、Appl. Phys. Lett、Nano Research、ACS Appl. Mater. Interfaces等期刊上。仍有部分工作在整理中。