D-A型共轭聚合物的取向调控

【摘要】：D-A型共轭聚合物作为一种可溶性、柔性的半导体材料,被广泛用于制备低成本、大面积的发光二极管(LEDs),场效应晶体管(FETs)等有机光电器件。鉴于共轭聚合物中的电荷传输具有各向异性,分子和晶体取向调控对器件性能的提高具有重要意义。本文以一种典型的高迁移率的D-A型共轭聚合物poly[2,5-bis(2-octyldodecyl)pyrrolo-[3,4-c]pyrrole-1,4(2H,5H)-dione-alt-2,2′:5′,2′′:5′′,2′′′-quaterthiophene](PDQT)作为研究对象,合成并利用溶剂辅助纳米转移印刷的空间受限方法构筑了不同尺寸的PDQT纳米结构阵列,研究了纳米结构中PDQT纳米片晶内分子链的取向以及空间受限条件对PDQT纳米片晶的取向调控作用,并探索了PDQT纳米片晶取向度对FETs载流子迁移率的调控作用。具体分为以下几方面:(1)D-A型共轭聚合物PDQT的合成和不同尺寸PDQT纳米结构阵列的构筑。本文利用Stille偶联的方法成功合成了PDQT,而后借助原子力显微镜(AFM)证明了利用纳米转移印刷(n TP)方法容易构筑大面积不同宽度的PDQT纳米条带阵列。(2)D-A型共轭聚合物PDQT的取向调控。本文利用同步辐射广角掠入射X射线衍射(GIWAXD)和选区电子衍射(SAED)方法研究了薄膜和纳米阵列中PDQT分子链的取向,并利用正交偏光显微镜(CPOM)对不同宽度的纳米条带中PDQT晶体的取向度进行了比较。发现PDQT薄膜由无序排列的纳米片晶组成,片晶中分子链采用的是edge-on的堆积方式,b轴和c轴均在面内表现为无规取向。而纳米条带中PDQT纳米片晶在模板的限制作用下呈现较为有序的排列,片晶中分子链仍采取edge-on取向,不同的是π-堆积纳米晶体片层的晶体学b轴倾向平行于纳米条带长轴排列,c轴则倾向垂直纳米条带长轴排列。此外,利用CPOM研究发现受限强度对晶体取向度具有调控作用,表现为纳米条带越窄,纳米晶体π-堆积片层b轴的取向度越高。(3)D-A型共轭聚合物PDQT的取向对FETs载流子迁移率的调控。我们将FETs沟道沿着纳米阵列长轴制备,测量了b-c面内沿着b轴的载流子迁移率,发现沿着纳米阵列的迁移率可比均相薄膜高出一个数量级。我们将这个发现归因于b-c面内电荷传输的各向异性,并且是b轴为更快的电荷传输提供了有效路径。利用不同宽度纳米条带中PDQTπ-堆积纳米片晶取向度的不同实现对FETs迁移率的调控,加强了我们对D-A型半导体聚合物具有优良电学性能的理解。本文报道的制备高度取向聚合物薄膜的方法和对电荷传输的调控为可溶性的π共轭聚合物在有机电子器件中的应用提供了很大的参考价值。