Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Mingfei Xiao et une équipe de scientifiques interdisciplinaires et internationaux au Royaume-Uni, Arabie Saoudite, Australie, Inde, Chine et Belgique, ont étudié la physique du transport de charge d'une classe de polymères conjugués jusque-là non identifiée. De tels polymères sont censés se comporter comme des tiges rigides, cependant, on ne sait pas grand-chose de la conformation réelle de leur chaîne et de leur structure électronique. Dans ce travail, Xiao et al. a détaillé une étude des propriétés structurelles et de transport de charge d'une famille de quatre polymères de ce type basés sur des systèmes dérivés de l'anthracène (AN1 et AN2) et du naphtalène (NN1 et NN2). En adoptant des conceptions de copolymères, l'équipe a atteint des mobilités électroniques élevées allant jusqu'à 0,5 cm ² V ^-1 S ^-1 . Ce travail fournit des informations importantes sur le facteur limitant le transport de charge dans cette classe unique de polymères pour permettre l'identification de stratégies moléculaires pour atteindre des niveaux de performance plus élevés.

Polymères conjugués

Les polymères conjugués sont attrayants pour une gamme d'applications sur les écrans, la bioélectronique et l'électronique de grande surface en raison de leur grande surface, basse température, dépôt de fabrication basé sur des solutions avec des chaînes latérales solubilisantes. En comprenant les conformations de la chaîne au niveau moléculaire, les chercheurs visent à détecter les relations structure-propriété dans les systèmes polymères conjugués. Dans un nouveau rapport, Xiao et al. systématiquement étudié les conformations de la chaîne, longueurs de persistance, microstructure, désordre énergétique et propriétés de transport de charge dans quatre de ces polymères étiquetés NN1, NN2, AN1 et AN2. Ils ont comparé la stabilité à l'air de ces quatre polymères au polymère déficient en électrons largement étudié connu sous le nom de P(ND120D-T2). La stratégie peut améliorer les propriétés de transport de charge dans d'autres polymères à tige rigide et favorisera la cristallinité et la mobilité. Les chercheurs ont ensuite caractérisé la dépendance du poids moléculaire des propriétés de transport de charge à l'aide de la diffusion des rayons X à grand angle à incidence rasante (GIWAXS), comprendre la microstructure du film, tout en quantifiant le désordre énergétique via la spectroscopie de déflexion photothermique (PDS) et la modélisation de la chimie quantique. Xiao et al. utilisé la diffusion de neutrons aux petits angles (SANS) pour quantifier les longueurs de persistance et la résonance de spin électronique induite par le champ pour quantifier les temps de saut de charge et les longueurs de saut dans des transistors organiques à effet de champ (OFETS) pour montrer comment une longue longueur de persistance a facilité de bonnes propriétés de transport de charge . Le travail vise à identifier d'autres stratégies pour améliorer les propriétés de transport de charge d'une classe unique de polymères conjugués.

Lors des expérimentations, Xiao et al. ont noté que le polymère AN1 posait des problèmes de synthèse en raison de sa solubilité limitée. Ils ont également noté que l'absorption vibronique bien résolue dans la région du proche infrarouge avec le polymère AN2 suggère un plus petit degré de désordre énergétique. L'affinité électronique parmi les polymères était comprise entre -4,1 et -4,2 eV et une affinité électronique élevée a permis un bon transport d'électrons stable à l'air dans ces polymères. Les scientifiques ont réalisé des expériences SANS (diffusion de neutrons aux petits angles) sur des solutions de NN1, Polymères fusionnés NN2 et AN2 pour comprendre leurs propriétés. Les résultats ont confirmé que le polymère AN2 maintenait le plus grand poids moléculaire. Les caractéristiques générales du SANS étaient similaires pour le NN1, NN2, et les polymères AN2 où une diminution rapide de l'intensité de diffusion était visible pour les grands vecteurs de diffusion. Les résultats ont mis en évidence que les trois polymères étaient significativement plus rigides et moins flexibles que le polymère d'essai P(ND120D-T2). L'architecture des matériaux avec une nature rigide en forme de tige distinguait clairement ces matériaux d'autres polymères conjugués plus traditionnels.

Diffusion de rayons X grand angle à incidence rasante (GIWAXS) et spectroscopie de déflexion photothermique (PDS)

Les motifs GIWAXS pour les trois polymères fusionnés ont également montré des textures bimodales avec des cristallites de face et de bord coexistant dans les échantillons. L'équipe a noté des différences entre les trois polymères, où les échantillons NN1 présentaient une texture de face et NN2 et AN2 indiquaient une population frontale significative. Les résultats de GIWAXS ont fourni la preuve d'une microstructure à couche mince semi-cristalline hautement ordonnée avec des interactions interchaînes prononcées et un empilement π-π étroit. Pour étudier ensuite le désordre énergétique à l'état solide des matériaux, Xiao et al. utilisé la spectroscopie de déflexion photothermique (PDS) et mesuré l'élargissement de la queue d'absorption optique sous le bord de la bande. Les polymères AN1 et AN2 (dérivés de l'anthracène) présentaient un trouble énergétique inférieur par rapport aux systèmes dérivés du naphtalène NN1 et NN2. Pour comprendre l'origine du désordre basse énergie dans les polymères, Xiao et al. simulé la surface d'énergie potentielle conformationnelle des systèmes représentatifs. Les scientifiques ont attribué le plus petit désordre énergétique thermique pour AN versus NN à la propagation du système dans les polymères anthracène vs naphtalène.

Étude des propriétés de transport de charge

Pour ensuite comprendre les propriétés de transport de charge de différents polymères, Xiao et al. développé spin-coated, porte supérieure, OFET à contact inférieur (transistors organiques à effet de champ) utilisant un matériau diélectrique en polyméthacrylate de méthyle (PMMA). Les appareils ont montré des caractéristiques de transport ambipolaires, où les scientifiques ont noté les mobilités les plus élevées dans AN2 avec des changements importants correspondants dans l'énergie orbitale moléculaire inoccupée (LUMO) la plus basse avec la longueur de la chaîne. Ils ont attribué les résultats supplémentaires au désordre énergétique résiduel, remplissage des pièges ou interactions électron-électron des OFET polymères semi-cristallins. A poids moléculaire fixe, AN2 et NN2 ont montré des mobilités de porteurs plus élevées par rapport aux polymères AN1 et NN1. Les énergies d'activation des quatre polymères ont atteint environ 100 meV, ce qui est comparable à d'autres OFET polymères semi-cristallins haute performance. L'équipe a attribué l'énergie d'activation élevée à l'énergie de réorganisation des matériaux. Ils ont également effectué des ondes continues, résonance de spin électronique induite par le champ (FI-ESR) pour étudier la dynamique de spin des polarons et mieux comprendre la dynamique de charge correspondante des matériaux. Les résultats ont fourni des informations sur le couplage entre les spins des électrons et les modes vibrationnels.

De cette façon, Mingfei Xiao et ses collègues ont rassemblé des preuves directes pour réaliser un comportement de tige rigide dans des polymères conjugués contenant uniquement des liaisons à double liaison entre les unités conjuguées à cycle fusionné. De tels systèmes peuvent conserver la nature unique de tige rigide de ces polymères pour atteindre des énergies de désordre et de réorganisation plus faibles afin de faciliter le potentiel d'atteindre des mobilités de porteurs de charge encore plus élevées qui dépassent les systèmes de pointe existants.

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