신축성 다기능 센서를 위한 공액 폴리머 필름 내에 전하 이동성, 안정성 및 신축성을 통합합니다.

Nature Communications 13권, 기사 번호: 2739(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

공액 폴리머(CP)는 본질적으로 신축성이 있는 전자 장치를 위한 유망한 반도체입니다. 이상적으로 이러한 CP는 높은 전하 이동성, 탁월한 안정성 및 높은 신축성을 나타내야 합니다. 그러나 CP에서 이러한 모든 바람직한 특성을 수렴하는 것은 분자 설계 및/또는 장치 엔지니어링을 통해 달성되지 않았습니다. 이 연구에서는 열분해 가능한 3차 에스테르 측쇄가 있는 티오펜 단위 ~50몰%와 치환되지 않은 티오펜 단위 ~50몰%를 함유하는 무작위 폴리티오펜(RP-T50)의 설계, 합성 및 특성을 자세히 설명합니다. , 전하 이동성과 안정성이 크게 향상되었음을 보여줍니다. 신축성이 뛰어난 폴리디메틸실록산 기판에 코팅된 RP-T50 필름을 열 어닐링하면 고분자 필름에 자발적으로 주름이 발생하여 고분자 필름의 신축성을 효과적으로 향상시킵니다. 주름진 RP-T50 기반의 신축성 센서는 50% 단축 및 30% 이축 변형률에서도 습도, 에탄올, 온도 및 빛을 효과적으로 감지할 수 있습니다. 우리의 발견은 본질적으로 신축성이 있는 전자 시스템에 CP를 전략적으로 적용하는 새로운 설계 근거를 제공합니다.

공액 폴리머(CP)는 용액 가공성을 보장하기 위해 측쇄가 필요합니다. 이는 CP를 핵심 구성 요소로 하는 기능성 장치의 저비용 대면적 생산을 가능하게 하는 핵심 전제 조건입니다. 그러나 이러한 측쇄는 종종 CP의 낮은 유리 전이 온도(Tg)로 이어져 높은 온도에서 CP 기반 박막의 형태학적 불안정성을 초래합니다1. 또한, 이러한 측쇄(일반적으로 탄화수소)는 광산화되기 쉽고 결과적으로 CP 기반 박막의 광유도 분해가 발생합니다2. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 몇 년 동안 열분해 가능한 측쇄(TCS)가 활발하게 연구되었습니다. 이는 CP가 가열에 의해 TCS를 제거하면 Tg가 훨씬 증가하고 광산화의 영향을 덜 받을 수 있기 때문입니다3. 예를 들어, 우리는 최근 TCS가 있는 폴리티오펜이 1.5%의 광전지 효율을 달성할 수 있고 가혹한 테스트 조건(150°C, N2 및 주변 광 하에서)에서 24시간 후에도 초기 성능의 90%를 유지할 수 있음을 보여주었습니다. TCSs4를 제거한 후 Tg가 훨씬 향상되었습니다.

그러나 한 가지 중요한 과제는 기존의 알킬 측쇄가 있는 '동일한' 폴리머와 비교할 때 이러한 TCS의 절단 후 종종 관찰되는 낮은 장치 성능(예: 낮은 전하 캐리어 이동성)입니다. 이는 TCS가 일반적으로 부피가 큰(종종 3차) 알킬 사슬과 연결된 에스테르, 아미드 또는 탄산염과 같은 열적으로 불안정한 기능을 포함하기 때문입니다3(상대적으로 낮은 온도에서 알킬 사슬의 열분해 및 CP의 용해도를 보장하기 위해7). 이러한 입체적으로 까다로운 측쇄는 백본 비틀림을 강화하고 인접한 공액 백본 사이의 π-π 스태킹을 감소시키며, 두 가지 모두 열분해 전 전하 수송을 심각하게 손상시킬 수 있습니다. 이러한 부피가 큰 측쇄를 열적으로 제거하면 이러한 입체 관련 영향을 완화하고 전하 수송을 향상시킬 수 있지만, 종종 휘발성 종(이러한 절단된 측쇄에서)의 생성을 동반하는 CP의 열 에너지 유도 이동은 다음과 같은 결과를 초래할 수 있습니다. 통제되지 않은 형태학적 변화. 이러한 바람직하지 않은 형태학적 변화는 TCS가 제거된 후(즉, CP 기반 박막이 유리화되는 경우) 동역학적으로 갇히고 높은 장치 성능에 도달하는 데 중요한 문제가 됩니다. 예를 들어, 벌크 이종접합 혼합물의 경우 심각한 상 분리로 인해 폴리머 기반 태양전지의 효율이 낮아질 수 있습니다8.

흥미롭게도 초기 연구에서 Son et al. 결정성은 낮지만 π-π 스태킹을 통해 형성된 국부적인 응집체를 갖는 무작위 폴리티오펜은 결정성이 높은 위치 규칙적 폴리(3-헥실티오펜)(P3HT)보다 더 높은 전하 운반체 이동성을 달성할 수 있음을 보여주었습니다9. 그들은 치환되지 않은 티오펜 단위를 무작위 방식으로 P3HT에 도입했으며, 헥실 측쇄의 밀도가 감소하여 백본 평면성이 향상되어 π-π 스태킹 정도가 향상되어 더 높은 이동성을 설명하는 것으로 여겨지는 국부적인 집합체를 형성했습니다. 우리는 이러한 치환되지 않은 티오펜 단위를 TCS가 있는 폴리티오펜에 도입하면 백본 평면성과 π-π 스태킹 정도를 향상시킬 수 있고 제어되지 않은 형태학적 변화(백본의 TCS가 적기 때문에)를 완화할 수 있다고 생각합니다. 측쇄의 열분해 후 이동성.

15 mg/ml), both RP-T60 and RP-T70 are only partially soluble in the solvent (<1 mg/ml). We hypothesize that more unsubstituted thiophene units (i.e., T) in the backbone would be beneficial to enhancing the backbone planarity and/or the degree of π–π stacking (before thermocleavage of alkyl chains), and also to mitigating morphological change during thermocleavage. As such, we decided to focus on RP-T50 to investigate charge mobility and stability before/after removal of the alkyl chains. For comparison, we synthesized regioregular P3HT (100 mol% hexyl side chains) and P3ET (100 mol% ET that has the thermocleavable ester side chain) via chain-growth Suzuki polycondensation as well (Fig. 1b). Number average molecular weights (Mn) and dispersities (Đ) of RP-T50, P3HT, and P3ET were determined by gel permeation chromatography (GPC) using polystyrene standards as the calibration (RP-T50: 64,000 (Đ: 1.28), P3HT: 37,700 (Đ: 1.29), and P3ET: 56,700 (Đ: 1.55))./p>270 °C) to remove carboxylic acids does not offer additional benefits4. Here, we decided to applied similar thermal annealing (e.g., 150 °C for 12 h or 200 °C for 30 min) to remove only the alkyl chains in RP-T50, affording RP–T50–COOH as the key material in this study. Moreover, higher temperature (>270 °C) would be too harsh when flexible or stretchable substrates are used (e.g., indium tin oxide-coated polyethylene terephthalate or polyethylene naphthalate)12./p>

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