Waiting
Procesando inicio de sesión ...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Chemistry
Click here for the English version

Chemistry

Monitoring van de gevolgen van de verlichting op de structuur van geconjugeerd polymeer Gels met behulp van Neutron Scattering

Published: December 21, 2017 doi: 10.3791/56163
Automatic Translation
1, 1, 1,2
1Department of Chemistry, University of Tennessee, Knoxville, 2Chemical Sciences Division, Oak Ridge National Laboratory

Summary

Een protocol voor de analyse van gelen gevormd uit de opto-elektronische geconjugeerd polymeer poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) met behulp van kleine en ultrakleine hoek neutronen verstrooiing in zowel de aanwezigheid en de afwezigheid van verlichting wordt gepresenteerd.

Abstract

We laten een protocol om effectief toezicht de gelering proces van een hoge concentratie oplossing van geconjugeerd polymeer zowel in de aanwezigheid en afwezigheid van blootstelling aan witte licht te zien. Door de helling van een gecontroleerde temperatuur, kan de gelering van deze materialen worden juist gecontroleerd als ze gaan door middel van deze structurele evolutie, die effectief komt overeen met de voorwaarden ervaren tijdens de fase van de depositie oplossing van organische elektronisch apparaat fabricage. Met behulp van kleine hoek neutronen verstrooiing (SANS) en ultra-kleine hoek neutronen verstrooiing (USANS) samen met de juiste montage protocollen kwantificeren we de evolutie van select structurele parameters in dit hele proces. Grondige analyse geeft aan dat voortdurende blootstelling aan licht gedurende de gelering proces aanzienlijk de structuur van de uiteindelijk gevormde gel verandert. Specifiek, het proces van samenvoeging van poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) nano-schaal aggregaten is negatief beïnvloed door de aanwezigheid van verlichting, uiteindelijk resulterend in de vertraging van de groei in geconjugeerd polymeer microstructuren en de vorming van kleinere schaal macro-aggregaat clusters.

Introduction

Geconjugeerd polymeren beloven functionele materialen die kunnen worden gebruikt in een breed scala van apparaten, zoals organische lichtemitterende diodes, organische halfgeleiders, chemische sensoren en organische fotovoltaïsche zonne-energie. 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 een cruciaal aspect van de prestaties in deze apparaten is het bestellen en de verpakking van het geconjugeerd polymeer in vaste toestand in de actieve laag. 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 deze morfologie is grotendeels vooraf bepaald door zowel de conformatie van de polymeer-keten in de oplossing evenals de structuren die evolueren als deze oplossingen worden gegoten tot een substraat en het oplosmiddel wordt verwijderd. Door het bestuderen van de structuren die aanwezig zijn in een typische sol-gel-overgang van een model opto-elektronische polymeer in een geschikt oplosmiddel, deze systemen effectief kunnen worden gemodelleerd en een kwantitatieve glimp in de zelf-assemblage die optreedt tijdens de materiële depositie kan worden verkregen. 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20

Specifiek, onderzoeken we de geconjugeerd polymeer benchmark P3HT in het oplosmiddel Halfzwaar ortho-dichloorbenzeen (ODCB), een polymeer-solvent-systeem die uitgebreid gebruik als gevolg van de geschiktheid ervan voor een verscheidenheid van biologische elektronisch apparaat fabricage gezien heeft technieken. 23 , 24 , 25 in deze bepaalde oplosmiddelen omgeving, beginnen P3HT kettingen bijeen te voegen op een passende milieu stimuli, zoals de daling van de temperatuur of oplosmiddel kwaliteitsverlies. Het exacte mechanisme voor deze vergadering proces onderzocht, met één van de toonaangevende voorgestelde routes wordt beschouwd als een geleidelijk proces waar individuele P3HT moleculen π-stack te vormen lamellaire nano-aggregaten bekend als nanofibrils, die vervolgens zelf doen samenballen tot grotere micron schaal macro-aggregaten. 24 inzicht in deze trajecten en de daaruit voortvloeiende structuren die gevormd is de sleutel tot goed voorspellen en beïnvloeden de vorming van optimale apparaat actieve laag morphologies.

Naar dit uiteindelijke doel van meer precies het regisseren van de vorming van deze actieve laag architecturen, bestaat er een behoefte extra experimentele en industriële methoden niet-destructief veranderen geconjugeerd polymeer morfologie in-situ te ontwikkelen. Een relatief nieuwe methode centreert rond het gebruik van blootstelling aan licht als een goedkoop middel voor het wijzigen van polymeer keten morfologie, met zowel computationele en experimentele resultaten wijzen naar de haalbaarheid ervan. 25 , 26 , 27 Recent werk van ons laboratorium heeft aangegeven het bestaan van een licht geïnduceerde wijziging van het geconjugeerd polymeer-solvent interactie in een verdunde oplossing, wat leidt tot een opmerkelijke verandering in polymeer keten grootte op verlichting. 30 , 31 hier, presenteren we een protocol om verder te gaan van dit werk door effectief toezicht op de gevolgen voor het blootstellen van een veel meer geconcentreerd geconjugeerd polymeeroplossing aan het directe licht gedurende een gelering-proces dat wordt geleid door een gestuurde thermostaat helling van de temperatuur. We gebruiken neutron scattering aangezien het robuuste analyse van structurele parameters van het polymeer-solvent sol-gel systeem op lengte schalen van angstroms tot micron, een mogelijkheid die niet mogelijk door middel van andere gemeenschappelijkere Rheologische of spectroscopische instrumentaal toestaat methoden. 16 , 17 , 30 , 31 aldus, door het vergelijken van de goed geanalyseerd kleine en ultrakleine hoek neutron gegevens voor de vergadering van gelen gevormde onder verlichting aan identieke gegevens verzameld in volledige duisternis, structurele verschillen, veroorzaakt door de verlichting-gedreven effecten kunnen uitgebreid worden geïdentificeerd en gekwantificeerd.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Alle verwerking van chemische stoffen moet worden uitgevoerd met de juiste persoonlijke beschermingsmiddelen en binnen een veiligheid kap. Alle monsters blootgesteld aan ioniserende straling verbonden gevaren moeten worden behandeld onder toezicht van de installaties radioactief controle technici. Dit protocol werd uitgevoerd door personen die passende straling veiligheidsopleiding had voltooid.

1. bereiding van P3HT in d-ODCB-oplossingen

  1. Monster overname
    1. Koop 1 g voor hoge regioregularity (> 90%) P3HT in het molecuulgewicht variëren 15-40 K.
    2. Koop 5 g van hoge zuiverheid (> 90 atoom % Halfzwaar) d-4 1,2-ODCB.
  2. Bereiding van de monsters
    1. Filtreer alle d-ODCB-oplossing met 0,45 µm zeef in een glazen ampul.
    2. Combineer 0,34 g van P3HT in 1,66 g d-ODCB in een glazen ampul van 5 g met folie bekleed GLB.
      Opmerking: Tijdens het monster oprichting en overdracht proces, het minimaliseren van de ambient licht intensiteit waaraan het monster te allen tijde is blootgesteld.
    3. Toevoegen van een magnetische roer-bar aan de flacon, beveiligen van het GLB en verzegelen met parafilm.
    4. Wikkel de flacon volledig in aluminiumfolie ter voorkoming van eventuele lichte blootstelling aan oplossing.
    5. Leg het monster op de hete plaat bij 70 ° C gedurende 1-3 uur met de magnetische roer bar ingeschakeld.
    6. Verwijder uit hitte en roeren oplossing eenmaal volledig homogeen (bij voorkeur het verlaten van het monster verwarming/roeren overnachting om ervoor te zorgen volledige spreiding).
    7. Oplossing van flacon overbrengen naar een goed schoongemaakt (met aparte gespoeld van aceton en water) 1 of 2 mm dikke kwarts banjo cel met behulp van een glazen pipet.
      Opmerking: Verwarming de glazen pipet in een oven verwarming tot 70 ° C direct voorafgaand aan de overdracht vereenvoudigt dit proces.
    8. Banjo cel GLB brengt en verzegelen met parafilm.
    9. Plaats banjo cel in volledige duisternis (dat wil zeggen in een verzegelde doos of verpakt in aluminiumfolie).
    10. Monteer een steekproef waarin alleen d-ODCB (gevuld) en een lege banjo-cel, die optreedt als het oplosmiddel achtergrond en de lege cel, respectievelijk voor de verstrooiing experimenten op een soortgelijke manier.

2. neutronen verstrooiing experimenten

  1. SANS experimenten in de "donkere" omgeving
    1. Met de hulp van de instrument-wetenschapper, zorgen voor dat een monster fase is aangebracht met de vereiste temperatuur controle staat van de leiding van de helling van een temperatuur van 70-20 ° C.
    2. Plaats de banjo-cellen in de gepaste afmetingen bedrijf blokken, veilig, en het label.
    3. Wikkel de hele blok met 0,1 mm dikke aluminiumfolie om ervoor te zorgen dat geen omgevingslicht is incident aan het monster. Minimaliseren deformaties van de folie om de juiste montage van het verpakte blok in de fase van de steekproef. Plaats dit verpakt blok en monster binnen het werkgebied van de steekproef.
    4. Met de hulp van de instrument-wetenschapper, door de juiste instrument uitlijning en kalibratie met behulp van de juiste standaardmaten te voltooien. Stel de afstand van de detector dichtbij zijn maximum instellen (bijvoorbeeld op 18 m) om te zorgen voor toegang tot de laagste Q-regio (~0.001 Å-1), waardoor uiteindelijk een volledige Q bereik van ongeveer 0.001-0.1 Å-1. Hierdoor kan probing van lengte schalen tot ~ 500 nm.
    5. Met de hulp van de instrument-wetenschapper, verzamelen van graaf tarieven voor de P3HT en de oplosmiddelen voorbeelden en berekeningen worden uitgevoerd om te bepalen van het bedrag van de verstrooiing benodigde tijd voor het bereiken van de graven van de totale detector per monster van ruwweg 500.000 tot 1.000.000, ervoor te zorgen goede statistische kwaliteit in de gegevens.
    6. Met deze informatie een voorbeeldscript die de 70-20 ° C temperatuur oprit en data collectie proces direct zal te maken. Kies dat een aantal discrete temperatuur punten ter dekking van de beste het gehele bereik binnen de gegeven tijd beperkingen, bijvoorbeeld elke 2 ° C. Voor elk punt op de helling maken 3 afzonderlijke posten in het script: een wijziging in de gewenste temperatuur, een periode van wachten (~ 15 minuten) zodat het systeem kan het thermisch equilibreer voordat verstrooiing wordt verzameld en de meting van de verstrooiing zelf verricht gedurende de passende tijdsduur te bereiken van de vereiste detector telt
    7. Zodra het instrument en het script zijn voorbereid, het script en beginnen met het experiment. Zorg ervoor dat het verzamelen van gegevens voor de oplosmiddelen en lege cel ook (zonder temperatuur oprit). Daarnaast verzamelen transmissie gegevens voor elk monster en een geblokkeerde beam-meting.
  2. SANS experimenten in de "light"-omgeving
    1. Na voltooiing van de "donkere" experiment, verplaatsen de monsters uit het werkgebied, plaats op een veilige benchtop en verwijder alle aluminiumfolie met inachtneming van straling veiligheid protocollen.
    2. Plaats een optische illuminator met een halogeen lichtbron in de buurt van het monster werkgebied zodanig dat de leads effectief de monster-sleuf in de fase die is gekoppeld aan de verstrooiing collectie positie verlichten.
    3. Met behulp van een gekalibreerde lichtmeter, record de lichtintensiteit geboden door het hulplicht bij maximale intensiteit op de positie waar het monster zal zitten. Intensiteitswaarden zal variëren met hulplicht en monster fase configuratie, echter de verlichting intensiteit van ten minste 5.000 lux is gewenst.
    4. Zodra deze verlichting setup is goed verzameld, terug van de monsters naar het werkgebied, zorgen dat de illuminator is goed het actieve monster verlichting, opnieuw verwarmen tot 70 ° C, toestaan dat goede evenwichtsinstelling en herhaal de gegevens verzameling procedure uitgevoerd op het donker monsters met de optische hulplicht verstrekken van ononderbroken rechtstreekse blootstelling aan licht grondig de gehele duur van deze stap.
  3. USANS-experimenten
    1. USANS monsters op een soortgelijke manier kwarts banjo cuvetten voor te bereiden en plaats in koper of titanium blokken binnen een temperatuur gecontroleerde monster stadium.
    2. Met de hulp van de instrument-wetenschapper, uitlijnen en kalibreren van het instrument met het vereiste aantal buffers bij de golflengte van de gegeven neutron zodat analyses van Q waarden uit ongeveer 10-5 - 10-3 Å-1, waardoor lengte zijn toegestaan Hiermee schaalt u volgorde micron te worden bestudeerd.
    3. Ontwikkelen van de experimentele script in een soortgelijke wijze als de SANS-experimenten, waardoor thermische evenwichtsinstelling en gegevensverzameling bij elke temperatuur eerder studeerde.
    4. Opnieuw gerepliceerd van de SANS-experimenten, het script eens onder "dark" voorwaarden en weer onder "voorwaarden"licht".

3.Data reductie en analyse

  1. SANS vermindering en analyse
    1. Met behulp van de vermindering van de respectieve programma voert32 de gegevensbestanden voor verstrooiing, achtergrond (oplosmiddel), lege cel, geblokkeerde lichtbundel en transmissie metingen te bereiken van de juiste achtergrond aftrekken en omzetting van verstrooiing gegevens in absolute eenheden van de intensiteit in cm-1.
    2. Beginnen met de gegevens op de juiste manier verminderd, analyse door het aanbrengen van de experimentele verstrooiing gegevens naar een model dat is de lineaire toevoeging van twee montage vergelijkingen, een vertegenwoordigen de aggregaten van de nanofibril door de elliptische cilinder model,33 en een andere rekening houdend met de gratis ketens in een oplossing door middel van het polymeer uitgesloten volume model. 34 , 35 de onderstaande vergelijking beschrijft deze combinatie model aanpak:
      Equation 1
      In deze vergelijking, ϕP3HT beschrijft de Fractie van het totale volume van P3HT in de oplossing, Equation 2 is de Fractie van de volume van geaggregeerde P3HT aanwezig en gemodelleerd als een elliptische cilinder, PPEV is het gratis keten uitgesloten volume vormfactor voor P3HT, P-ECM beschrijft de elliptische cilinder form factor voor de aggregaten, en Equation 3 en Equation 4 zijn de verstrooiing lengte dichtheid (SLD) contrast tussen P3HT aggregaten en het oplosmiddel en tussen het vrije verkeer P3HT kettingen en het oplosmiddel, respectievelijk. SLD waarden voor alle componenten van het systeem kunnen worden berekend met een kennis van hun chemische samenstelling en massa-dichtheid en het gebruik van een SLD calculator beschikbaar als deel van de meeste neutron analyse programma's of online. 36
    3. Bij correcte montage procedures met behulp van NCNR Igor passend macro's37 of de SASView montage programma, het verwerven van waarden voor de belangrijkste structurele parameters voor het gegeleerde systeem bij alle temperaturen in de licht en donker, waardoor de kwantificering van de morfologische evolutie die zich voordoen in dit hele proces als een functie van temperatuur en blootstelling aan licht. Deze structurele parameters omvatten de transversale gebieden van de nanofibrils, gratis keten straal van traagheidsstralen (Rg) en exponent van de Porod, en een kwalitatieve beoordeling van de totale hoeveelheid materiaal aanwezig in de nanofibril fase.
  2. Vermindering van de USANS en analyse
    1. Met behulp van de vermindering van de respectieve programma voert de verstrooiing en achtergrondgegevens voor elke buffer de gegevens samenvoegen met een enkele verminderde curve in absolute intensiteit eenheden van cm-1.
    2. De gegevens met behulp van een Guinier-Porod power recht model, waarmee de kwantitatieve beoordeling van de statistische verstrooiing patronen peilden door de USANS lengte schaal en verwerving van de aggregaatwaarden van de R-g kunt analyseren. 38 passen met deze methode door middel van NCNR Igor passend macro's37 of de SASView montage programma dat vergelijking van macro-aggregaat Rg in alle temperaturen en verlichting voorwaarden.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Via SANS en USANS experimenten, de gelering proces van P3HT in d-ODCB werd effectief gecontroleerd van de verspreide oplossing staat bij 70 ° C tot een volledig gegeleerde staat bij 20 ° C. Deze experimenten werden uitgevoerd in beide volledige duisternis en onder wit licht verlichting. Figuur 1 toont enkele voorbeeld SANS verminderd gegevens curven van deze experimenten, met een voorbeeld kromme passen afgebeeld in Figuur 2. Van deze gegevens, de structurele veranderingen die zich voordoen als de temperatuur daalt effectief zijn vastgelegd, aangeduid door een duidelijke toename in absolute intensiteit als temperatuur valt. Bovendien, voor elke gegeven temperatuur er een duidelijke discrepantie tussen de gegevens van de verstrooiing van de monsters die studeerde in het donker en die bestudeerd in het licht als de gegevens is percelen elkaar niet overlappen. Dit geeft aan dat blootstelling aan licht heeft grote invloed op het proces van samenvoeging. Figuur 3 geeft waarden voor een scala aan structurele parameters geëxtraheerd met behulp van de gecombineerde passen model uit de gegevens van het OPSLAGBEHEER en structurele informatie over zowel de nanofibril-aggregaten en de gratis ketens nog in oplossing. De oppervlakte van de nanofibril beschrijft de oppervlakte van het gezicht van de cilindrische nanoschaal P3HT aggregaten en de ECM schaal factor geeft een kwalitatieve beschrijving van de hoeveelheid P3HT aanwezig in het aggregaat fase, terwijl de vrije keten Rg en Porod exponent beschrijven de grootte en vorm factor van de P3HT ketens nog niet in de oplossing gegeleerde. Significante verschillen in deze parameters bij elke gegeven temperatuur en tussen lichte en donkere monsters bij een gegeven temperatuur aangeven dat het experiment en de montage proces het effect van blootstelling aan licht op dit proces gelering hebben gevangen. Aangezien zij een aanzienlijk lagere Q bereik in dienst, toestaan USANS experimenten dat de karakterisatie van grotere lengte wordt geschaald in overeenstemming met de P3HT macro aggregaten, en door het spiegelen van dezelfde aanpak gebruikt in de SANS-experimenten, het effect van temperatuur en licht op de grootte van deze aggregaten is effectief gekwantificeerd. USANS gegevens uitgezet naast de gegevens van het OPSLAGBEHEER voor een interne temperatuur blijkt uit Figuur 4 en Figuur 5 geeft de R-g gegevens verworven montage USANS gegevens met een macht recht model. Deze Rg -waarde groeit met afnemende temperatuur als gelering vordert en individuele P3HT nanofibrils zich samenvoegen toe aan het vormen van grote schaal microstructuren. En net als bij de gegevens van het OPSLAGBEHEER, bestaat er een duidelijk verschil tussen de lichte en donkere gegevens specifiek geëffend, kleinere Rg -waarden met de blootstelling aan licht.

Figure 1
Figuur 1: Kleine hoek neutron scattering gegevens voor een 17 wt % voorbeeld van P3HT in d-ODCB via 70-20 ° C temperatuur oprit. Gegevens verzameld onder wit licht verlichting (open symbolen) en in volledige duisternis (gesloten symbolen). Foutbalken melden instrumentale fout. Gereproduceerd van referentie 28 met toestemming. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 2
Figuur 2: Voorbeeld aanpassen met behulp van een combinatie model benadering met gebruikmaking van zowel de elliptische cilinder en het polymeer uitgesloten Volume Model tot 17 wt % P3HT SANS gegevens verzameld bij 34 ° C in de aanwezigheid van witte lichte verlichting. Gereproduceerd van referentie 28 met toestemming. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 3
Figuur 3: Selecteer parameters verkregen van het gecombineerde model geschikt voor 17 wt % P3HT door middel van een helling van de temperatuur 70-20° C, met zwarte sporen die aangeeft monsters studeerde in het donker en rode sporen met de vermelding monsters studeerde onder verlichting: (A): nanofibril oppervlak ruimte, (B): elliptische cilinder Model schaalfactor, (C): straal van traagheidsstralen van gratis kettingen, en (D): Porod exponent van gratis ketens. Foutbalken verslag standaarddeviatie pasvorm gegenereerde foutwaarden. Gereproduceerd van referentie 28 met toestemming. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 4
Figuur 4: Kleine en ultrakleine hoek verstrooiing gegevens van 17 wt % P3HT bij 24 ° C voor zowel verlicht (grijs) en donkere (zwarte) monsters. Foutbalken melden instrumentale fout. Gereproduceerd van referentie 28 met toestemming. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figure 5
Figuur 5: Straal van traagheidsstralen waarden, verkregen uit 17 wt % P3HT USANS gegevens passen met een Guinier-Porod power recht model voor zowel verlichte (rood) en donkere (zwarte) monsters. Foutbalken verslag standaarddeviatie pasvorm gegenereerde foutwaarden. Gereproduceerd van referentie 28 met toestemming.

Figure 6
Figuur 6: Illustratie van het proces van de P3HT-vergadering van gratis ketens tot definitieve micron-schaal aggregaten. Gereproduceerd van referentie 28 met toestemming. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Eerst geeft kijken naar de gegevens van het OPSLAGBEHEER als functie van de temperatuur, de toename van de schaalfactor elliptische cilinder Model een duidelijke toename van het aantal P3HT in de nanofibril fase, die isconsistent met de progressie van de gelering verwerken . Tegelijkertijd, de afname van de vrije keten Rg gepaard met een toename van de Porod exponent onthult dat de verslechterende thermodynamische voorwaarden in verband met de temperatuur dalen een keten instorting veroorzaken in de P3HT nog steeds aanwezig in oplossing. Deze resultaten, in combinatie met de gegevens van de USANS tonen een duidelijke stijging van de macroaggregate Rg op de daling van de temperatuur, blijkt dat de verstrooiing experimenten effectief hebben vastgelegd en geanalyseerd van de progressie van de structuurfondsen zelf-assemblage proces centraal in de overgang van de sol-gel, een proces dat wordt weergegeven in Figuur 6. Analyseren van de resultaten van deze experimenten, zoals een functie van de blootstelling aan licht verder informatie biedt gerelateerd aan het effect van de verlichting op de gelering proces en de uiteindelijke totale structuren gevormd. Vergelijking van alle SANS parameters in Figuur 2 blijkt verschillen tussen de lichte en donkere monsters over een bereik van temperaturen, evenals de USANS gegevens in Figuur 3. Samen genomen, deze informatie geeft aan dat blootstelling aan licht effectief het P3HT aggregatie proces belemmert, wat resulteert in minder materiaal aggregeren in de fase van de nanofibril (aangegeven door de ECM schaal factor resultaten) en kleinschaliger micron aggregaten) gegeven door de USANS Rg -waarden). Dus, dit experiment heeft ook gewezen op de verschillen tussen geconjugeerd polymeer gelering uitgevoerd in het licht versus het donker en onderstreepte het belang van verlichting voorwaarden op de apparaat-relevante actieve laag-morphologies die worden gevormd.

Bij het overwegen van een soortgelijke experimentele aanpak met de bovenstaande methode is het belangrijk in gedachten te houden de beperkingen die inherent zijn aan het systeem. Neutron scattering is een krachtige techniek voor het analyseren van angstrom nanometer schaal structuren in polymeersystemen, lengte schalen die boven of onder dit bereik liggen zijn echter beter peilden door andere technieken. Bovendien, als een van de bestanddelen van het polymeer systeem van belang zijn niet gemakkelijk Halfzwaar, kan het moeilijk zijn om het niveau van contrast nodig voor aanvaardbare resultaten. Ook, gezien de beperkte hoeveelheid neutron lichtbundel tijd, experimenten moeten zorgvuldig gepland worden met een relatief geconcentreerde focus. Het is ook belangrijk dat een passende robuuste montage model vooraf bepaald voordat de experimenten beginnen te beperken van het toepassingsgebied van het klantanalyse proces en zorgen voor goede modellering van het systeem.

Ervan uitgaande dat een experiment aan deze voorwaarden voldoet, bieden deze neutron scattering methoden een uniek instrument om de structurele evolutie van polymeersystemen onopvallend volgen over een bereik van lengte schalen als een functie van meerdere milieu stimuli, zoals temperatuur en blootstelling aan licht. Het aanwenden van deze benaderingen kan leiden tot de uitbreiding van deze methoden om een grote verscheidenheid aan polymeer-solvent systemen naar structurele veranderingen voorkomende als gevolg van wijzigingen in een verscheidenheid van voorwaarden waaronder (maar niet beperkt tot) polymeer concentratie, oplosmiddel kwaliteit, dopering toevoeging en thermische geschiedenis.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Disclosures

De auteurs hebben niets te onthullen.

Acknowledgments

De auteurs mijn dankbaarheid uitspreken aan de National Science Foundation (DMR-1409034) voor ondersteuning van dit project. We erkennen ook de steun van het National Institute of Standards en technologie, Amerikaanse ministerie van handel, in het verstrekken van de faciliteiten van de USANS die worden gebruikt in dit werk, waar daartussen zijn deels gesteund door de National Science Foundation onder overeenkomst Nr. DMR-0944772. De experimenten van de SANS van dit onderzoek werden verzorgd door ORNL van hoge Flux isotoop Reactor, die werd gesponsord door de wetenschappelijke gebruiker voorzieningen Division, Office of Basic Energy Sciences, ons ministerie van energie.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
M(106) poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) Ossila 104934-50-1 Conjugated polymer
deuterated 1,2 ortho-dichlorobenzene (ODCB) Sigma Aldrich AC321260050 solvent

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  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. NIST. 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. , Plenum. New York. (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. NIST. 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. , John Wiley and Sons. New York. (1955).

Tags

Chemie kwestie 130 optisch actieve polymeren geconjugeerd polymeren polymeer gels kleine hoek neutronen verstrooiing prikkels-responsieve materialen thermo-omkeerbaar
Monitoring van de gevolgen van de verlichting op de structuur van geconjugeerd polymeer Gels met behulp van Neutron Scattering
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Morgan, B., Rinehart, S. J., Dadmun, … More

Morgan, B., Rinehart, S. J., Dadmun, M. D. Monitoring the Effects of Illumination on the Structure of Conjugated Polymer Gels Using Neutron Scattering. J. Vis. Exp. (130), e56163, doi:10.3791/56163 (2017).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter