JoVE Logo
АВТОРЫ
СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

Войдите в систему

Для просмотра этого контента требуется подписка на Jove Войдите в систему или начните бесплатную пробную версию.

В этой статье

  • Резюме
  • Аннотация
  • Введение
  • протокол
  • Результаты
  • Обсуждение
  • Раскрытие информации
  • Благодарности
  • Материалы
  • Ссылки
  • Перепечатки и разрешения

Резюме

Протокол для анализа гели, образуются из оптоэлектронных конъюгированных полимера poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) с помощью небольших и ультра-малых угол рассеяния нейтронов в присутствие и отсутствие освещения представлен.

Аннотация

Мы демонстрируем протокол к эффективно контролировать процесс Желирование при высокой концентрации раствора конъюгированные полимер как в присутствии и отсутствии белый освещенности. Путем введения контролируемой температуре рамп, гелеобразования этих материалов могут точно контролироваться как они перейти через этот структурной эволюции, которая эффективно отражает условия опытных во время этапа решения осаждения органических изготовление электронных устройств. С помощью малоуглового рассеяния нейтронов (SAN) и ультра-малых угол рассеяния нейтронов (USANS) наряду с протоколами соответствующую установку мы количественно эволюция выберите структурных параметров на протяжении всего этого процесса. Тщательный анализ указывает, что продолжение освещенности на протяжении всего процесса гелеобразования значительно изменяет структуру в конечном счете сформированных геля. В частности, процесс агрегирования агрегатов нано-poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) негативно затронутых присутствием освещения, в конечном счете обусловило замедление роста в конъюгированные полимер микроструктур и формирование небольших масштабах макро агрегат кластеров.

Введение

Конъюгированные полимеры обещают функциональных материалов, которые могут быть использованы в широком диапазоне устройств, таких как органические светоизлучающие диоды, Органические полупроводники, химические датчики и органических фотогальванических. 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 важнейшим аспектом производительности в этих устройств является заказ и упаковка конъюгированные полимер в твердом состоянии в активном слое. 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 этот морфология во многом заранее определяется конформация полимерной цепи в решения, а также структур, которые развиваются, как эти решения приводятся к подложке и растворитель удаляют. Изучая структур на всей территории типичной золь гель перехода модель оптоэлектронных полимера в подходящего растворителя, эти системы можно эффективно моделировать и количественных заглянуть в самостоятельной сборки, происходит во время материала осаждения может быть получен. 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20

В частности мы рассмотрим конъюгированные полимер ориентир P3HT в жидкостной транс Орто дихлорбензол (ODCB), полимер растворитель системы, которая стала свидетелем широкого использования из-за своей пригодности для различных органических электронное устройство изготовление методы. 23 , 24 , 25 в этой конкретной среде растворителей, P3HT цепи начинают объединять на соответствующих экологических раздражителей, таких как снижение температуры или потери растворителя качества. Точный механизм для этой Ассамблеи процесс находится под следствием, с одной из ведущих предлагаемых путей, как считается, быть постепенным процессом, где отдельные P3HT молекул π-стек сформировать пластинчатые нано агрегаты, известный как nanofibrils, который затем сами пробка корковая агломерат для формирования больших микрон масштаба макро агрегатов. 24 понимание этих путей и результирующей структуры формируется является ключом к правильно предсказывая и влияющих на формирование оптимального устройства активного слоя морфологии.

К этой конечной цели более точно направляя формирования этих архитектур активного слоя существует необходимость в разработке дополнительных экспериментальных и промышленных методов для недеструктивного изменения конъюгированные полимер морфология in situ. Одна сравнительно новой методологии центров вокруг использования освещенности как недорогое средство для изменения морфологии цепи полимера, с вычислительной и экспериментальных результатов, указывая на его осуществимости. 25 , 26 , 27 последние работы нашей лабораторией указал существование света индуцированные изменения конъюгированные полимер растворитель взаимодействия в разбавленный раствор, приводит к заметным изменениям в полимерной цепи размер после освещения. 30 , 31 здесь, мы представляем протокол продолжить эту работу путем эффективного контроля за последствиями подвергая гораздо более концентрированный раствор конъюгированные полимер для прямого света во всем гелеобразования процесса, который управляется термостатом контролируемой Температура пандуса. Мы используем нейтронного рассеяния, как он позволяет надежный анализ структурных параметров системы полимер растворитель золь гель на длину весы от ангстремы мкм, способность не представляется возможным через другие более общие реологических или спектральные инструментальная методы. 16 , 17 , 30 , 31 таким образом, сравнивая должным образом проанализированы малых и ультра-малых угол нейтрона данных для Ассамблеи гели формируется под освещение для одинаковых данных, собранных в полной темноте, структурные различия, вызванные ориентированных на освещение эффекты можно всесторонне выявлять и количественно.

протокол

Все обработки химических веществ должен осуществляться с надлежащего личного защитного оборудования и безопасности Худ. Все образцы подвергаются действию ионизирующего излучения должны рассматриваться под наблюдением услуги техников радиационного контроля. Этот протокол была исполнена лиц, закончивших обучение соответствующих радиационной безопасности.

1. Подготовка P3HT в d-ODCB решения

  1. Приобретение образца
    1. Покупка 1 g высокой regioregularity (> 90%) P3HT в молекулярной массой в диапазоне 15-40 K.
    2. Покупка 5 g высокой чистоты (> 90% атом Транс) d-4 1,2-ODCB.
  2. Подготовка образца
    1. Фильтр все d-ODCB решение с 0,45 мкм сито в стеклянный флакон.
    2. Объединить 0,34 г P3HT в 1.66 g d-ODCB в 5 g стеклянный флакон с крышкой, фольга выстроились.
      Примечание: На протяжении всего процесса создания и передачи образцов, свести к минимуму окружающего света, которым образец подвергается во все времена.
    3. Добавить панель магнитные переполох в пробирку, установите крышку и печать с парафина.
    4. Оберните флаконе полностью в алюминиевой фольги для предотвращения любой освещенности для решения.
    5. Пример места на горячей плите при 70 ° C для 1-3 ч с магнитной перемешать бар включен.
    6. Удалите из тепла и помешивая, после того, как решение является полностью однородным (желательно оставить на ночь Отопление/перемешивания образца для обеспечения полной дисперсии).
    7. Передать решение от флакона надлежащим образом очищены (с отдельным полоскания ацетона и воды) 1 или 2 мм толщиной кварц банджо ячейки с помощью стеклянной пипетки.
      Примечание: Отопление стеклянной пипетки в Отопление печи до 70 ° C, непосредственно перед передачей значительно упрощает этот процесс.
    8. Аффикс банджо клеток шапку и печать с парафина.
    9. Место банджо ячейки в полной темноте (т.е. внутри закрытый ящик или завернуты в фольгу).
    10. Аналогичным образом соберите образец, который содержит только d-ODCB (заполнен) и пустой банджо ячейки, чтобы выступать в качестве растворителя фон и пустая ячейка, соответственно, для рассеяния экспериментов.

2. нейтронного рассеяния эксперименты

  1. SANS эксперименты в условиях «темные»
    1. С помощью инструмента ученый убедитесь, что этап образец нанесена с требуемой температуры элементов, способных направления пандуса температуру от 70-20 ° C.
    2. Место клетки банджо в проведение соответствующего размера блоков, безопасный и метка.
    3. Обернуть весь блок с 0,1 мм толщиной алюминиевой фольги для обеспечения не рассеянный свет инцидент для образца. Свести к минимуму деформации фольги для обеспечения правильной установки упакованного блока в стадии образца. Поместите этот пример и упакованного блока в стадии образца.
    4. С помощью инструмента ученый Полное выравнивание надлежащим инструментом и калибровка с помощью соответствующих стандартных измерений. Задайте расстояние детектор близко к максимальной настройки (например, на 18 м) для обеспечения доступа к области низких Q (~0.001 Е-1), в конечном счете позволяет a Q спектр примерно 0,001-0,1 Å-1. Это позволит зондирующего длины шкалы до ~ 500 Нм.
    5. С помощью инструмента ученого собирать количество ставок для P3HT и растворителей образцов и выполнять вычисления, чтобы определить количество времени рассеяния, необходимых для достижения общей детектор рассчитывает на сэмпл примерно 500 000 до 1 000 000, обеспечение хорошее качество статистических данных.
    6. С этой информацией создайте пример сценария, который будет направлять 70-20 ° C температура пандуса и данных процесса сбора. Выберите ряд дискретных температуры указывает Лучшая обложка весь диапазон в пределах ограничений заданного времени, например каждые 2 ° C. Для каждой точки на рампе сделать 3 отдельные записи в скрипте: изменение желаемой температуры, период ожидания (~ 15 минут), чтобы позволить системе термически сбалансировать прежде чем разбрасывать собранные и измерения рассеяния, сам провел над соответствующее время продолжительность для достижения требуемых Детектор подсчитывает
    7. После подготовки документа и сценарий, выполните сценарий и начать эксперимент. Убедитесь, что для сбора данных для растворителей и пустые ячейки, а также (без рампы температуры). Кроме того собирать передачи данных для каждой выборки и заблокированных луч измерения.
  2. SANS эксперименты в условиях «свет»
    1. После завершения «темные» эксперимента переместить образцы со сцены, место на безопасную benchtop и удалить все алюминиевой фольги наблюдая радиационной безопасности протоколов.
    2. Установите оптический осветитель, показывая источник света Галогеновая вблизи стадии образца таким образом, что приводит эффективно освещать образца слот на стадии, связанные с позиции коллекции рассеяния.
    3. С помощью калиброванного экспонометр, рекорд интенсивности света, предоставляемый осветитель при максимальной интенсивности в позиции, где будет сидеть образца. Значения интенсивности будут меняться с осветитель и образец конфигурации стадии, однако, желательно освещенности по крайней мере 5000 люкс.
    4. После установки освещения правильно собрать, возвращение образцов на сцену, убедитесь, что просветителя должным образом освещения активной выборки, снова нагреть до 70 ° C, позволяют правильного уравновешивания и повторите процедуру сбора данных, выполненных на темном образцы, с оптический осветитель, обеспечивая непрерывный прямого воздействия света тщательно весь этот шаг.
  3. USANS эксперименты
    1. Подготовить образцы USANS аналогичным образом с использованием клеток банджо кварца и место в меди или титана блоков в пределах контролируемой температуре образца стадии.
    2. С помощью инструмента ученого выравнивания и калибровки инструмента, используя необходимое количество буферов на длине волны данного нейтронов для анализа значения Q из примерно 10-5 - 10-3 Е-1, позволяя длина масштабируется по приказу мкм быть исследован.
    3. Разработать экспериментальный сценарий аналогичным образом SANS экспериментов, позволяя для тепловой уравновешивания и сбора данных при каждой температуре, изучал ранее.
    4. Повторить эксперименты SANS снова, выполните сценарий раз в «темные» условиях и снова на условиях ««свет».

3.И анализ данных

  1. БЕЗ сокращения и анализа
    1. С помощью программы соответствующие сокращения,32 входных файлов данных для рассеяния, фон (растворитель), пустая ячейка, заблокированных луча и передачи измерений для достижения надлежащего фон вычитание и преобразование данных рассеяния в абсолютной единицы силы света в см-1.
    2. С данными надлежащим образом уменьшена, начать анализ путем установки данных экспериментальных рассеяния для модели, которая является линейной добавление двух уравнений фитинга, один из которых представлял nanofibril агрегатов с помощью эллиптического цилиндра модели,33 и другой с учетом свободного цепи в растворе через полимера исключены объем модель. 34 , 35 ниже уравнение описывает этот подход модель комбинации:
      figure-protocol-7603
      В этом уравнении, φP3HT описывает общий объем доли P3HT в растворе, figure-protocol-7760 объемная доля совокупных P3HT настоящего и моделируется как эллиптического цилиндра, PПЭВ объем свободной цепи исключены форм-фактор для P3HT, PECM описывает эллиптического цилиндра форм-фактор для агрегатов, и figure-protocol-8079 и figure-protocol-8147 рассеяния длина плотность (УОС) контраст между P3HT агрегатов и растворителя и бесплатно P3HT цепи и растворителя, соответственно. СДЛС значения для всех компонентов системы может рассчитываться с знанием их химического состава и масса плотность и использование SLD калькулятор доступен как часть большинства нейтронного анализа программ или онлайн. 36
    3. После правильной установки процедуры с помощью NCNR Игорь установку макросы37 или SASView установку программы, получить значения для ключевых структурных параметров загущенное системы при всех температурах в светлых и темных, позволяя количественная оценка морфологической эволюции, происходящие на протяжении всего этого процесса как функция температуры и освещенности. Эти структурные параметры включают поперечного области nanofibrils, цепь Радиус инерции (Rg) и экспоненты пород и качественной оценки общего количества материала, присутствующего в nanofibril фазе.
  2. USANS сокращение и анализ
    1. С помощью программы соответствующие сокращения, ввода данных рассеяния и справочные данные для каждого буфера для слияния данных в один снижение кривой в абсолютной степени интенсивности единицах см-1.
    2. Анализировать данные с помощью Guinier-Подоре власть закона модель, которая позволяет количественной оценки совокупных россыпь моделей протестированных USANS длина шкалы и позволяет приобретение статистических значений Rg . 38 fit, с помощью этого метода через NCNR Игорь фитинг макросы37 или программы установки SASView для сравнения макро совокупности Rg во всех температуры и освещенности.

Результаты

Через SANS и USANS эксперименты, гелеобразования процесс P3HT в d-ODCB эффективно контролируется от рассеянных решение государства при 70 ° C полностью загущенное состояние при 20 ° C. Эти эксперименты были проведены в обеих полной темноте и под белый свет освещение. Ри...

Обсуждение

Во-первых глядя на данные SANS как функция температуры, увеличение масштаба эллиптического цилиндра модель указывает на заметное увеличение количества P3HT в фазе nanofibril, который isconsistent с прогрессированием гелеобразования процесс . Одновременно уменьшение свободной цепи Rg в паре с у...

Раскрытие информации

Авторы не имеют ничего сообщать.

Благодарности

Авторы с благодарностью признают Национальный научный фонд (DMR-1409034) для поддержки этого проекта. Мы также признаем поддержку национального института стандартов и технологии США министерство торговли, в предоставлении USANS объектов, используемых в этой работе, где эти объекты поддерживаются частично национального научного фонда по соглашению LOL DMR-0944772. SANS эксперименты этого исследования были завершены в ORNL в высокий поток изотопа реактора, который был организован научный отдел помещений пользователя, Управление основных энергетических наук, министерства энергетики США.

Материалы

NameCompanyCatalog NumberComments
M(106) poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT)Ossila104934-50-1Conjugated polymer
deuterated 1,2 ortho-dichlorobenzene (ODCB)Sigma AldrichAC321260050solvent

Ссылки

  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).

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на использование текста или рисунков этого JoVE статьи

Запросить разрешение

Смотреть дополнительные статьи

130

This article has been published

Video Coming Soon

JoVE Logo

Конфиденциальность

Условия эксплуатации

Политика

СВЯЖИТЕСЬ С НАМИ

РЕКОМЕНДОВАТЬ БИБЛИОТЕКЕ

НОВОСТИ JoVE

Исследования

Образование

АВТОРЫ

Библиотекарь

О JoVE

Авторские права © 2025 MyJoVE Corporation. Все права защищены