加州大學圣塔芭芭拉分校的教授Thuc-Quyen Nguyen領(lǐng)導的團隊最新突破性研究中,成功地合成了一系列含有環(huán)戊二噻吩-替代-苯并噻二唑的共軛聚電解質(zhì)(CPE)。這些合成物的烷基鏈長度在2至5個碳原子之間變化,旨在探討這種長度變化如何影響其光學、電化學及形態(tài)特性。
由于這些共軛聚電解質(zhì)是混合導體,它們可以作為累積模式有機電化學晶體管(OECT)的有源層。這些聚電解質(zhì)的跨導、體積電容,以及離子和電子的電導率都受到其烷基鏈長度的影響。
此外,密度泛函理論(DFT)的計算結(jié)果有助于解釋為什么這些分子的摻雜程度會隨著結(jié)構(gòu)變化而有所不同。
該研究揭示,CPEs的跨導、體積電容以及離子和電子導電性會受到其烷基鏈長度的影響。這一發(fā)現(xiàn)對光伏行業(yè)具有重大意義,因為它可能為開發(fā)更高效和可調(diào)適的光伏設(shè)備鋪平道路。
此外,該團隊利用密度泛函理論(DFT)計算來闡明分子結(jié)構(gòu)對摻雜易度的影響。這一見解可能在設(shè)計和制造有機電子設(shè)備,包括有機發(fā)光二極管(OLEDs)、有機薄膜晶體管(OTFTs)和生物成像設(shè)備中具有無可估量的價值。
研究團隊表示:"我們針對具有不同側(cè)鏈長度的共軛聚電解質(zhì)(Conjugated Polyelectrolytes, CPE)進行了一項系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究。在研究這個特定系列的CPE之前,我們假設(shè)當側(cè)鏈長度減少時,穩(wěn)定自由電子(polaron)的負電荷會更接近,進而增加摻雜的易度。然而,我們使用紫外可見光譜儀(UV-VIS spectroscopy)得到的趨勢與這個假設(shè)相反。
環(huán)戊二噻吩衍生物和CPE薄膜的微分脈沖伏安法(Differential Pulse Voltammetry, DPV)結(jié)果顯示,側(cè)鏈長度的增加導致氧化潛力的降低。這種降低的氧化潛力可以解釋為形成自由電子的易度增加。來自高分辨率輝射X射線衍射(Grazing-Incidence Wide Angle X-ray Scattering, GIWAXS)的數(shù)據(jù)顯示,側(cè)鏈長度的增加會增加結(jié)晶度,這表明了較高的電洞遷移率。最后,在密度泛函理論(Density Functional Theory, DFT)研究中,我們發(fā)現(xiàn)側(cè)鏈較長的系統(tǒng)具有較低的形成能量。
初步的結(jié)構(gòu)與性能表征顯示,磺酸基對環(huán)戊二噻吩環(huán)具有電子吸引效應(yīng),使得聚合物的氧化及摻雜變得困難。此外,較長的烷基鏈長度的靈活性可能有助于磺酸基與自由電子的接近,從而通過空間庫倫穩(wěn)定,導致自由電子穩(wěn)定度的提高以及摻雜程度的增加。這強調(diào)了對共軛聚電解質(zhì)進行系統(tǒng)研究的重要性,以協(xié)助設(shè)計更好的材料。
我們的結(jié)論是,較短的烷基鏈長度不利于我們系統(tǒng)中的氧化開始,因此減少了共軛聚電解質(zhì)的摻雜程度。