大分子鏈行為與相互作用,主導聚合物不同尺度結構的形成與演變機制,最終決定高分子材料的微觀結構與宏觀性質;揭示并解決塑料電子中的高分子物理與化學問題,是優化與豐富高分子半導體光電性質的重要前提;深入探索高分子主鏈構象轉變與晶化過程,將有助于優化固體凝聚態結構提高材料性質。
在塑料電子學中,一維線性共軛聚合物的定向電子離域行為,使其分子鏈構象是決定聚合物光電性能的重要因素。相比于其它分子構象,聚芴半導體的分子鏈共平面化構象,即β相,具有更長的有效共軛鏈長,使其呈現優異光電行為,如具有良好的光致/電致發光穩定性、較高的載流子遷移率和優異的發光器件性能、低的激光閾值,在過去二十年間成為聚芴半導體領域的研究重點。
在總結前期工作的基礎上,IAM團隊黃維院士和林進義副教授團隊發現經典的聚芴半導體材料—聚(9,9)二辛基芴(PFO)具有良好的共平面化能力,在1,2二氯乙烷(DCE)具有明顯凝膠化聚集過程,可誘導分子鏈形成共平面化構象,決定溶液后加工的薄膜形貌,通過控制聚集過程,實現在旋涂原位薄膜上形成有序的β相聚集體納米薄膜(Chinese Journal of Polymer Science, 2016, 11, 1311, ACS Applied Material Interfaces 2016, 8, 18969.)。然而,目前只有在PFO及其衍生物具有β相共平面化能力,稱為第一代β相聚芴半導體,而第一代β相聚芴半導體易于聚集和易被空氣氧化,限制其應用發展。在2014年,通過主鏈雙側不對稱分子設計理念,開創了具有共面平化構象的第二代β相聚芴半導體(PODPF,Macromolecules 2014, 47 (3), 1001. ACS Applied Material Interfaces 2016, 8, 21648. The Journal of Physical Chemistry C 2017, 121 (35), 19087. Journal of Materials Chemistry C 2017, 5 (22), 5345-5355, Polymer, 2018, Accepted.)。
基于前期的設計基礎,在原有的共平面化構象聚二芳基芴主鏈引入不同的螺芴基團,在保證共平面化構象的基礎上提高材料的光電特性。研究結果表明,位阻功能化的聚二芳基芴呈現高穩定性的電致光譜。經研究發現,基于螺芴氧雜蒽的聚二芳基芴在提高材料藍光穩定性的同時,具有共平面化構象形成能力,呈現超低閾值的受激放大輻射效應(ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9 (43), 37856.)。在此基礎上,系統研究了聚芴無規和平面化構象的光物理和熒光各向異性行為。通過PFO和PODPF的β構象薄膜,探索構象轉變對于其吸收和發射光譜,薄膜形貌,發射衰減行為和熒光各向異性的影響。通過熒光壽命成像(FLIM)測試中直接獲取的二維圖像驗證了聚芴平面化構象的自摻雜薄膜,且其熒光衰減壽命均低于無規構象的薄膜,首次通過成像直觀呈現聚芴半導體-β構象薄膜的自摻雜特性。此外,通過熒光各向異性成像(FAIM)表征顯示β構象薄膜由于較高的分子鏈取向而呈現出較高的各向異性。本工作報道的FLIM和FAIM表征提供了一種有效的途徑探索共軛聚合物構象轉變的本征光物理過程。
相關成果發表在Journal of Physical Chemistry Letters(Journal of Physical Chemistry Letters, 2018, 9, 364)雜志上,并被邀請做ACS liveslides展示。本系列工作得到IAM團隊Donal Bradley、解令海教授、王建浦教授、儀明東教授和張新穩副教授以及澳大利亞墨爾本大學的Trevor教授的支持。第一作者分別為2016級博士研究生虞夢娜(Journal of Physical Chemistry Letters, 2018, 9, 364)和2017級博士研究生白魯冰(ACS Applied Materials & Interfaces, 2017, 9 (43), 37856.)。
該系列工作得到了國家973項目、國家自然基金項目等項目的資助和支持。
論文鏈接:
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.7b03148
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.7b08980
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