En un nuevo informe ahora publicado en Avances de la ciencia , Mingfei Xiao y un equipo de científicos interdisciplinarios e internacionales en el Reino Unido, Arabia Saudita, Australia, India, China y Bélgica, investigó la física del transporte de carga de una clase de polímeros conjugados no identificados previamente. Se espera que tales polímeros se comporten como varillas rígidas, sin embargo, no se sabe mucho de su conformación de cadena real y estructura electrónica. En este trabajo, Xiao y col. detalló un estudio de las propiedades estructurales y de transporte de carga de una familia de cuatro de tales polímeros basados ​​en sistemas derivados del antraceno (AN1 y AN2) y derivados del naftaleno (NN1 y NN2). Al adoptar diseños de copolímeros, el equipo logró altas movilidades de electrones de hasta 0,5 cm ² V ^-1 S ^-1 . Este trabajo proporciona información importante sobre el factor que limita el transporte de carga en esta clase única de polímeros para permitir la identificación de estrategias moleculares para lograr niveles más altos de rendimiento.

Polímeros conjugados

Los polímeros conjugados son atractivos para una variedad de aplicaciones en pantallas, bioelectrónica y electrónica de gran superficie debido a su gran superficie, baja temperatura, deposición de fabricación basada en solución con cadenas laterales solubilizantes. Al comprender las conformaciones de la cadena a nivel molecular, Los investigadores tienen como objetivo detectar relaciones estructura-propiedad en sistemas poliméricos conjugados. En un nuevo informe, Xiao y col. investigó sistemáticamente las conformaciones de la cadena, longitudes de persistencia, microestructura, desorden energético y propiedades de transporte de carga en cuatro de estos polímeros etiquetados como NN1, NN2, AN1 y AN2. Compararon la estabilidad al aire de estos cuatro polímeros con el polímero deficiente en electrones ampliamente investigado conocido como P (ND120D-T2). La estrategia puede mejorar las propiedades de transporte de carga en otros polímeros de varillas rígidas y promoverá la cristalinidad y la movilidad. Luego, los investigadores caracterizaron la dependencia del peso molecular de las propiedades de transporte de carga utilizando la dispersión de rayos X de gran angular de incidencia rasante (GIWAXS), para comprender la microestructura de la película, mientras se cuantifica el desorden energético a través de la espectroscopia de deflexión fototérmica (PDS) y el modelado químico-cuántico. Xiao y col. utilizó la dispersión de neutrones de ángulo pequeño (SANS) para cuantificar las longitudes de persistencia y la resonancia de espín de electrones inducida por el campo para cuantificar los tiempos de salto de carga y las longitudes de salto en transistores de efecto de campo orgánico en funcionamiento (OFETS) para mostrar cómo una longitud de persistencia larga facilitó buenas propiedades de transporte de carga . El trabajo tiene como objetivo identificar estrategias adicionales para mejorar las propiedades de transporte de carga de una clase única de polímeros conjugados.

Durante los experimentos, Xiao y col. señaló que el polímero AN1 causaba problemas sintéticos debido a su solubilidad limitada. También observaron que la absorción vibrónica bien resuelta en la región del infrarrojo cercano con el polímero AN2 sugiere un menor grado de desorden energético. La afinidad electrónica entre los polímeros estaba en el rango entre -4,1 y -4,2 eV y la alta afinidad electrónica permitió un buen transporte de electrones estable al aire en estos polímeros. Los científicos realizaron experimentos SANS (dispersión de neutrones de ángulo pequeño) en soluciones de NN1, Polímeros fundidos NN2 y AN2 para comprender sus propiedades. Los resultados confirmaron que el polímero AN2 mantiene el mayor peso molecular. Las características generales de SANS fueron similares para el NN1, NN2, y polímeros AN2 donde fue visible una rápida disminución en la intensidad de la dispersión para los vectores de dispersión grandes. Los resultados destacaron que los tres polímeros eran significativamente más rígidos y menos flexibles que el polímero de prueba P (ND120D-T2). La arquitectura de materiales con una naturaleza rígida en forma de varilla distinguió claramente estos materiales de otros polímeros conjugados más tradicionales.

Dispersión de rayos X de gran angular de incidencia rasante (GIWAXS) y espectroscopia de deflexión fototérmica (PDS)

Los patrones GIWAXS para los tres polímeros fusionados también mostraron texturas bimodales con cristalitos de cara y de borde coexistentes dentro de las muestras. El equipo notó diferencias entre los tres polímeros, donde las muestras NN1 mostraron una textura frontal y NN2 y AN2 indicaron una población de borde significativo. Los resultados de GIWAXS proporcionaron evidencia de una microestructura de película delgada semicristalina altamente ordenada con interacciones entre cadenas pronunciadas y apilamiento π-π cercano. Para luego investigar el desorden energético en el estado sólido de los materiales, Xiao y col. utilizó espectroscopía de deflexión fototérmica (PDS) y midió el ensanchamiento de la cola de absorción óptica debajo del borde de la banda. Tanto los polímeros AN1 como AN2 (derivados del antraceno) mostraron un menor desorden energético en comparación con los sistemas NN1 y NN2 derivados del naftaleno. Para comprender el origen del desorden energético bajo en los polímeros, Xiao y col. simuló la superficie de energía potencial conformacional de los sistemas representativos. Los científicos atribuyeron el menor desorden energético térmico de AN frente a NN a la propagación del sistema π en polímeros de antraceno frente a naftaleno.

Investigación de las propiedades de transporte de carga

Para luego comprender las propiedades de transporte de carga de diferentes polímeros, Xiao y col. desarrollado con recubrimiento giratorio, puerta superior OFET (transistores orgánicos de efecto de campo) de contacto inferior que utilizan un material dieléctrico de polimetilmetacrilato (PMMA). Los dispositivos mostraron características de transporte ambipolar, donde los científicos notaron las movilidades más altas en AN2 con los correspondientes grandes cambios en la energía del orbital molecular desocupado (LUMO) más baja con la longitud de la cadena. Atribuyeron los resultados adicionales al trastorno energético residual, trampa de relleno o interacciones electrón-electrón del polímero semicristalino OFETs. A pesos moleculares fijos, tanto AN2 como NN2 mostraron mayor movilidad de portadores en comparación con los polímeros AN1 y NN1. Las energías de activación de los cuatro polímeros alcanzaron aproximadamente 100 meV:comparable a otros OFET poliméricos semicristalinos de alto rendimiento. El equipo atribuyó la alta energía de activación a la energía de reorganización de los materiales. También llevaron a cabo ondas continuas, resonancia de espín de electrones inducida por campo (FI-ESR) para estudiar la dinámica de espín del polarón y obtener información sobre la dinámica de carga correspondiente de los materiales. Los resultados proporcionaron información sobre el acoplamiento entre los espines de los electrones y los modos vibracionales.

De este modo, Mingfei Xiao y sus colegas reunieron evidencia directa para darse cuenta del comportamiento de varilla rígida en polímeros conjugados que contienen solo enlaces de doble enlace entre las unidades conjugadas de anillos fusionados. Dichos sistemas pueden conservar la naturaleza única de varilla rígida de estos polímeros para lograr energías más bajas de desorden y energías de reorganización para facilitar el potencial de alcanzar movilidades de portadores de carga aún más altas que superan los sistemas de vanguardia existentes.

© 2021 Science X Network