p Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Mingfei Xiao e uma equipe de cientistas interdisciplinares e internacionais no Reino Unido, Arábia Saudita, Austrália, Índia, China e Bélgica, investigou a física de transporte de carga de uma classe previamente não identificada de polímeros conjugados. Espera-se que tais polímeros se comportem como hastes rígidas, Contudo, não se sabe muito sobre a conformação real da cadeia e a estrutura eletrônica. Nesse trabalho, Xiao et al. detalhou um estudo das propriedades estruturais e de transporte de carga de uma família de quatro desses polímeros baseados em sistemas derivados do antraceno (AN1 e AN2) e derivados do naftaleno (NN1 e NN2). Ao adotar projetos de copolímero, a equipe alcançou altas mobilidades de elétrons de até 0,5 cm ² V ^-1 S ^-1 . Este trabalho fornece informações importantes sobre o fator de transporte de carga limitante nesta classe única de polímeros para permitir a identificação de estratégias moleculares para atingir níveis mais elevados de desempenho. p Polímeros conjugados

p Os polímeros conjugados são atraentes para uma variedade de aplicações em monitores, bioeletrônica e eletrônica de grande área devido à sua grande área, temperatura baixa, deposição de fabricação baseada em solução com cadeias laterais de solubilização. Ao compreender as conformações da cadeia a nível molecular, pesquisadores visam detectar relações estrutura-propriedade em sistemas de polímeros conjugados. Em um novo relatório, Xiao et al. investigou sistematicamente as conformações da cadeia, comprimentos de persistência, Microestrutura, desordem energética e propriedades de transporte de carga em quatro desses polímeros rotulados como NN1, NN2, AN1 e AN2. Eles compararam a estabilidade ao ar desses quatro polímeros com o polímero deficiente de elétrons amplamente investigado conhecido como P (ND120D-T2). A estratégia pode melhorar as propriedades de transporte de carga em outros polímeros de haste rígida e promoverá cristalinidade e mobilidade. Os pesquisadores então caracterizaram a dependência do peso molecular das propriedades de transporte de carga usando espalhamento de raios-X de grande angular com incidência rasante (GIWAXS), para entender a microestrutura do filme, ao quantificar o distúrbio energético via espectroscopia de deflexão fototérmica (PDS) e modelagem química quântica. Xiao et al. usaram espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo (SANS) para quantificar comprimentos de persistência e ressonância de spin de elétrons induzida por campo para quantificar tempos de salto de carga e comprimentos de salto em transistores de efeito de campo orgânico (OFETS) para mostrar como um comprimento de persistência longo facilitou boas propriedades de transporte de carga . O trabalho visa identificar outras estratégias para melhorar as propriedades de transporte de carga de uma classe única de polímeros conjugados.

p Os experimentos - espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo (SANS)

p Durante os experimentos, Xiao et al. observou que o polímero AN1 causou problemas sintéticos devido à solubilidade limitada. Eles também observaram que a absorção vibrônica bem resolvida na região do infravermelho próximo com o polímero AN2 sugere um grau menor de desordem energética. A afinidade de elétrons entre os polímeros ficou na faixa entre -4,1 e -4,2 eV e a alta afinidade de elétrons permitiu um bom transporte de elétrons estável ao ar nestes polímeros. Os cientistas realizaram experimentos SANS (espalhamento de nêutrons de pequeno ângulo) em soluções de NN1, Polímeros fundidos NN2 e AN2 para entender suas propriedades. Os resultados confirmaram que o polímero AN2 manteve o maior peso molecular. Os recursos gerais do SANS eram semelhantes para o NN1, NN2, e polímeros AN2 onde uma rápida diminuição na intensidade de espalhamento era visível para grandes vetores de espalhamento. Os resultados destacaram que os três polímeros são significativamente mais rígidos e menos flexíveis do que o polímero de teste P (ND120D-T2). A arquitetura dos materiais com uma natureza rígida em forma de bastão distinguia claramente esses materiais de outros polímeros conjugados mais tradicionais.

p Espalhamento de raios-X de grande angular com incidência rasante (GIWAXS) e espectroscopia de deflexão fototérmica (PDS)

p Os padrões GIWAXS para os três polímeros fundidos também mostraram texturas bimodais com cristalitos na face e na borda coexistentes nas amostras. A equipe notou diferenças entre os três polímeros, onde as amostras de NN1 mostraram uma textura de face e NN2 e AN2 indicaram uma população edge-on significativa. Os resultados do GIWAXS forneceram evidências de uma microestrutura de filme fino semicristalina altamente ordenada com interações intercadeias pronunciadas e empilhamento π-π próximo. Para então investigar a desordem energética no estado sólido dos materiais, Xiao et al. usaram espectroscopia de deflexão fototérmica (PDS) e mediram o alargamento da cauda de absorção óptica abaixo da borda da banda. Os polímeros AN1 e AN2 (derivados do antraceno) apresentaram menor desordem energética em comparação com os sistemas NN1 e NN2 derivados do naftaleno. Para compreender a origem da desordem energética de baixa nos polímeros, Xiao et al. simularam a superfície de energia potencial conformacional dos sistemas representativos. Os cientistas atribuíram a menor desordem energética térmica de AN versus NN à disseminação do sistema π em polímeros de antraceno versus naftaleno.

p Investigando as propriedades de transporte de carga

p Para então entender as propriedades de transporte de carga de diferentes polímeros, Xiao et al. desenvolvido spin-coating, portão superior, OFETs de contato inferior (transistores de efeito de campo orgânico) usando um material dielétrico de polimetilmetacrilato (PMMA). Os dispositivos mostraram características de transporte ambipolar, onde os cientistas observaram as mobilidades mais altas em AN2 com grandes mudanças correspondentes na energia orbital molecular desocupada mais baixa (LUMO) com o comprimento da cadeia. Eles creditaram os resultados adicionais à desordem energética residual, enchimento de armadilhas ou interações elétron-elétron do polímero semicristalino OFETs. Em pesos moleculares fixos, AN2 e NN2 mostraram mobilidades de portadores mais altas em comparação com os polímeros AN1 e NN1. As energias de ativação de todos os quatro polímeros alcançaram aproximadamente 100 meV:comparável a outros OFETs poliméricos semicristalinos de alto desempenho. A equipe creditou a alta energia de ativação à energia de reorganização dos materiais. Eles também realizaram ondas contínuas, ressonância de spin de elétrons induzida por campo (FI-ESR) para estudar a dinâmica de spin de polaron e obter informações sobre a dinâmica de carga correspondente dos materiais. Os resultados forneceram informações sobre o acoplamento entre os spins do elétron e os modos vibracionais.

p Desta maneira, Mingfei Xiao e seus colegas reuniram evidências diretas para perceber o comportamento de bastão rígido em polímeros conjugados contendo apenas ligações de ligação dupla entre as unidades conjugadas de anel fundido. Tais sistemas podem reter a natureza única de haste rígida desses polímeros para atingir energias mais baixas de desordem e energias de reorganização para facilitar o potencial de alcançar mobilidades de portadores de carga ainda mais altas que excedem os sistemas de última geração existentes. p © 2021 Science X Network