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Chemistry

न्यूट्रॉन कैटरिंग का उपयोग करके संयुग्मित पॉलिमर जैल की संरचना पर रोशनी के प्रभाव की निगरानी

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

optoelectronic संयुग्मित बहुलक पाली से गठित जैल के विश्लेषण के लिए एक प्रोटोकॉल (3-hexylthiophene-2, 5-diyl) (P3HT) उपस्थिति और रोशनी की अनुपस्थिति दोनों में छोटे और अति छोटे कोण न्यूट्रॉन कैटरिंग का उपयोग कर प्रस्तुत किया गया है.

Abstract

हम प्रभावी ढंग से दोनों उपस्थिति और सफेद प्रकाश जोखिम के अभाव में संयुग्मित बहुलक की एक उच्च एकाग्रता समाधान की जमाना प्रक्रिया की निगरानी करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रदर्शित करता है । एक नियंत्रित तापमान रैंप के साथ, इन सामग्रियों के जमाना ठीक निगरानी के रूप में वे इस संरचनात्मक विकास के माध्यम से आगे बढ़ना है, जो प्रभावी ढंग से कार्बनिक के समाधान जमाव चरण के दौरान अनुभवी स्थितियों दर्पण कर सकते है इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस निर्माण । छोटे कोण न्यूट्रॉन कैटरिंग (बिना) और अल्ट्रा छोटे कोण न्यूट्रॉन तितर बितर (उसाँस) उचित फिटिंग प्रोटोकॉल के साथ साथ हम इस प्रक्रिया में चुनिंदा संरचनात्मक मापदंडों के विकास को बढ़ाता है का उपयोग करना । पूरी तरह से विश्लेषण इंगित करता है कि जमाना प्रक्रिया में जारी प्रकाश जोखिम काफी अंततः गठित जेल की संरचना बदल । विशेष रूप से, पाली की एकत्रीकरण प्रक्रिया (3-hexylthiophene-2, 5-diyl) (P3HT) नैनो पैमाने समुच्चय नकारात्मक रोशनी की उपस्थिति से प्रभावित है, अंततः संयुग्मित बहुलक microstructures में वृद्धि के मंदता में जिसके परिणामस्वरूप और छोटे पैमाने पर स्थूल-कुल समूहों का गठन ।

Introduction

संयुग्मित पॉलिमर कार्यात्मक सामग्री है कि उपकरणों की एक विस्तृत रेंज में उपयोग किया जा सकता वादा, जैसे कार्बनिक प्रकाश उत्सर्जक डायोड, कार्बनिक अर्धचालक, रासायनिक सेंसर, और कार्बनिक photovoltaics । 1 , 2 , 3 , 4 , 5 , 6 इन उपकरणों में प्रदर्शन का एक महत्वपूर्ण पहलू है आदेश और सक्रिय परत में ठोस राज्य में संयुग्मित बहुलक की पैकिंग । 7 , 8 , 9 , 10 , 11 , 12 , 13 , 14 इस आकृति विज्ञान मुख्यतः पूर्व दोनों समाधान में बहुलक श्रृंखला के अनुरूप के रूप में अच्छी तरह से संरचना है कि इन समाधानों के रूप में विकसित एक सब्सट्रेट के इधार डाली और विलायक हटा दिया जाता है द्वारा निर्धारित है । एक ठेठ सोल-एक उपयुक्त विलायक में एक मॉडल optoelectronic बहुलक के जेल संक्रमण भर में मौजूद संरचनाओं का अध्ययन करके, इन प्रणालियों को प्रभावी ढंग से मॉडलिंग की और स्वयं में एक मात्रात्मक झलक सकते है विधानसभा कि सामग्री के दौरान होता है बयान प्राप्त किया जा सकता है । 15 , 16 , 17 , 18 , 19 , 20

विशेष रूप से, हम विलायक deuterated ऑर्थो-dichlorobenzene (ODCB), एक बहुलक-विलायक प्रणाली जो कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस निर्माण की एक किस्म के लिए अपनी उपयुक्तता के कारण व्यापक उपयोग देखा है में संयुग्मित बहुलक बेंचमार्क P3HT की जांच तकनीक. 23 , 24 , 25 इस दिया विलायक वातावरण में, P3HT जंजीरों तापमान में कमी या विलायक गुणवत्ता की हानि के रूप में एक उपयुक्त पर्यावरणीय उत्तेजनाओं, पर कुल करने के लिए शुरू करते हैं । इस विधानसभा प्रक्रिया के लिए सटीक तंत्र की जांच के तहत है, प्रमुख प्रस्तावित रास्ते में से एक के साथ एक क्रमिक प्रक्रिया है जहां व्यक्तिगत P3HT अणुओं π-ढेर lamellar नैनो-nanofibrils, जो तो खुद के रूप में जाना जाता समुच्चय के रूप में जाना माना agglomerate बड़ा माइक्रोन स्केल मैक्रो-समुच्चय बनाने के लिए । 24 इन रास्ते और परिणामी संरचनाओं का गठन समझ ठीक से भविष्यवाणी और इष्टतम डिवाइस सक्रिय परत morphologies के गठन को प्रभावित करने के लिए महत्वपूर्ण है ।

और अधिक ठीक इन सक्रिय परत वास्तुकला के गठन निर्देशन के इस अंतिम लक्ष्य की ओर, वहां एक गैर के लिए अतिरिक्त प्रयोगात्मक और औद्योगिक तरीकों को विकसित करने की आवश्यकता मौजूद है विनाशकारी रूप में बदल संयुग्मित बहुलक आकृतिक-सीटू में । एक अपेक्षाकृत नई विधि बहुलक श्रृंखला आकृति परिवर्तन के लिए एक सस्ता साधन के रूप में प्रकाश जोखिम के उपयोग के आसपास केंद्र, दोनों गणना और प्रयोगात्मक अपनी व्यवहार्यता की ओर इशारा करते हुए परिणामों के साथ । 25 , 26 , 27 हमारी प्रयोगशाला द्वारा हाल ही में काम संयुग्मित बहुलक के एक प्रकाश प्रेरित परिवर्तन के अस्तित्व का संकेत दिया है एक पतला समाधान में विलायक बातचीत, रोशनी पर बहुलक श्रृंखला आकार में एक उल्लेखनीय परिवर्तन के लिए अग्रणी । 30 , 31 यहां, हम प्रभावी ढंग से एक जमाना प्रक्रिया है कि एक थर्मोस्टेट द्वारा निर्देशित किया जाता है भर में प्रत्यक्ष प्रकाश के लिए एक बहुत अधिक केंद्रित संयुग्मित बहुलक समाधान को उजागर करने के प्रभाव की निगरानी द्वारा इस काम को जारी रखने के लिए एक प्रोटोकॉल वर्तमान नियंत्रित तापमान रैंप । हम न्यूट्रॉन कैटरिंग को रोजगार के रूप में यह angstroms से माइक्रोन के लिए लंबाई तराजू पर बहुलक-विलायक सोल-जेल प्रणाली के संरचनात्मक मापदंडों के मजबूत विश्लेषण की अनुमति देता है, एक क्षमता अन्य अधिक आम rheological या स्पेक्ट्रोस्कोपी वाद्य के माध्यम से संभव नहीं विधियों. 16 , 17 , 30 , 31 इस प्रकार, पूर्ण अंधकार में एकत्र समान डेटा को रोशनी के तहत गठित जैल के विधानसभा के लिए ठीक से विश्लेषण छोटे और अति छोटे कोण न्यूट्रॉन डेटा की तुलना करके, संरचनात्मक मतभेदों को प्रदीप्ति द्वारा पर लाया-चालित प्रभाव को व्यापक रूप से पहचाना और मात्रा जा सकता है ।

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Protocol

रसायनों के सभी हैंडलिंग उचित व्यक्तिगत सुरक्षात्मक उपकरणों के साथ और एक सुरक्षा हुड के भीतर किया जाना चाहिए । विकिरण को उजागर सभी नमूनों सुविधाओं रेडियोधर्मी नियंत्रण तकनीशियनों के पर्यवेक्षण के तहत नियंत्रित किया जाना चाहिए । इस प्रोटोकॉल व्यक्तियों, जो उचित विकिरण सुरक्षा प्रशिक्षण पूरा कर लिया था द्वारा किया गया था ।

1. डी-ODCB समाधान में P3HT की तैयारी

  1. नमूना प्राप्ति
    1. उच्च regioregularity का 1 g क्रय (& #62; ९०%) आणविक भार श्रेणी में P3HT 15-40 K.
    2. उच्च शुद्धता के 5 ग्राम खरीद (& #62; ९० एटम% deuterated) d-4 1, 2-ODCB.
  2. नमूना तैयारी
    1. सभी d-ODCB समाधान को एक कांच की शीशी में ०.४५ µm छलनी के साथ फ़िल्टर करें ।
    2. P3HT के १.६६ ग्राम में डी के ०.३४ जी का मिश्रण-ODCB एक 5 ग्राम कांच की शीशी में पन्नी के साथ लाइन टोपी ।
      नोट: नमूना निर्माण और हस्तांतरण की प्रक्रिया के दौरान, जो करने के लिए नमूना हर समय उजागर है परिवेश प्रकाश तीव्रता को कम ।
    3. शीशी के लिए एक चुंबकीय हलचल बार जोड़ें, टोपी सुरक्षित, और parafilm के साथ सील ।
    4. लपेटें शीशी पूरी तरह से एल्यूमीनियम पंनी में समाधान के लिए किसी भी प्रकाश जोखिम को रोकने के लिए ।
    5. चुंबकीय हलचल बार सक्षम के साथ 1-3 एच के लिए ७० डिग्री सेल्सियस पर गर्म थाली पर नमूना प्लेस ।
    6. गर्मी और सरगर्मी से निकालें एक बार समाधान पूरी तरह से सजातीय है (अधिमानतः नमूना हीटिंग छोड़ने/पूरा फैलाव सुनिश्चित करने के लिए रात भर सरगर्मी) ।
    7. एक गिलास पिपेट का उपयोग कर एक ठीक से (एसीटोन और पानी की अलग कुल्ला के साथ) 1 या 2 मिमी मोटी क्वार्ट्ज बाजा कोशिका साफ करने के लिए शीशी से समाधान स्थानांतरण ।
      नोट: ७० ° c के लिए एक हीटिंग ओवन में ग्लास पिपेट हीटिंग तुरंत हस्तांतरण से पहले बहुत इस प्रक्रिया को सरल करता है ।
    8. प्रत्यय बाजा सेल कैप और parafilm के साथ सील ।
    9. पूरा अंधकार में प्लेस बाजा सेल (एक सील बॉक्स के अंदर यानी या एल्यूमीनियम पंनी में लिपटे) ।
    10. एक समान फैशन में एक नमूना है जो केवल डी-ODCB (क्षमता से भरा) और एक खाली बाजा सेल शामिल हैं, विलायक पृष्ठभूमि और खाली सेल के रूप में कार्य करने के लिए, क्रमशः, तितर बितर प्रयोगों के लिए इकट्ठा ।

२. न्यूट्रॉन कैटरिंग प्रयोग

  1. संस "अंधेरे" वातावरण में प्रयोग
    1. साधन वैज्ञानिक से सहायता के साथ, एक नमूना चरण ७०-20 डिग्री सेल्सियस से एक तापमान रैंप निर्देशन करने में सक्षम आवश्यक तापमान नियंत्रण के साथ चिपका हुआ है सुनिश्चित करते हैं ।
    2. उचित आकार होल्डिंग ब्लॉकों, सुरक्षित, और लेबल में बाजा कोशिकाओं प्लेस ।
    3. लपेटें ०.१ मिमी मोटी एल्यूमीनियम पंनी के साथ पूरे ब्लॉक कोई परिवेश प्रकाश सुनिश्चित करने के लिए नमूना करने के लिए घटना है । नमूना चरण में लपेटा ब्लॉक की उचित फिटिंग सुनिश्चित करने के लिए पंनी के विकृतियों को कम करें । नमूना चरण के भीतर इस लपेटा ब्लॉक और नमूना प्लेस ।
    4. साधन वैज्ञानिक से सहायता के साथ, उचित साधन संरेखण और अंशांकन उचित मानक माप का उपयोग पूरा करें । सेट डिटेक्टर दूरी अपनी अधिकतम सेटिंग के करीब (उदाहरण के लिए 18 मीटर में) के लिए सबसे कम क्ष क्षेत्र का उपयोग सुनिश्चित करने के लिए (~ ०.००१ å1), अंततः मोटे तौर पर 0.001-0.1 å-1की एक पूर्ण क्ष सीमा की अनुमति । यह लंबाई तराजू की जांच की अनुमति देगा ~ ५०० एनएम ।
    5. साधन वैज्ञानिक की सहायता से, P3HT और विलायक नमूनों के लिए गिनती दर इकट्ठा करने और लगभग ५००,००० १,०००,००० करने के लिए, सुनिश्चित करने के नमूने प्रति कुल डिटेक्टर गिनती प्राप्त करने के लिए आवश्यक कैटरिंग समय की मात्रा निर्धारित करने के लिए गणना करने के लिए आंकड़ों में अच्छा सांख्यिकीय गुणवत्ता ।
    6. इस जानकारी के साथ, एक नमूना स्क्रिप्ट जो 70-20 ° c तापमान रैंप और डेटा संग्रह की प्रक्रिया को निर्देशित करेंगे बनाएं । हर 2 डिग्री सेल्सियस उदाहरण के लिए, दिए गए समय संयम के भीतर पूरी रेंज को कवर करने के लिए असतत तापमान अंक की एक श्रृंखला चुनें । रैंप पर हर बिंदु के लिए स्क्रिप्ट में 3 अलग प्रविष्टियों: वांछित तापमान, एक प्रतीक्षा अवधि (~ 15 मिनट) के लिए प्रणाली थर्मल equilibrate को तितर बितर पहले एकत्र की है, और बिखरने माप खुद पर आयोजित की अनुमति के लिए एक परिवर्तन करना आवश्यक डिटेक्टर गणना को प्राप्त करने के लिए उपयुक्त समय अवधि
    7. एक बार साधन और पटकथा तैयार कर रहे हैं, स्क्रिप्ट पर अमल और प्रयोग शुरू करते हैं । (तापमान रैंप के बिना) के रूप में अच्छी तरह से विलायक और खाली सेल के लिए डेटा इकट्ठा करने के लिए सुनिश्चित करें । इसके अतिरिक्त, प्रत्येक नमूने और एक अवरुद्ध बीम माप के लिए संचरण डेटा इकट्ठा ।
  2. संस "प्रकाश" वातावरण में प्रयोग
    1. "डार्क" प्रयोग के पूरा होने पर, मंच से नमूने ले जाने, एक सुरक्षित benchtop पर जगह है, और विकिरण सुरक्षा प्रोटोकॉल देख जबकि सभी एल्यूमीनियम पंनी को हटा दें ।
    2. एक ऑप्टिकल प्रकाशक की विशेषता स्थिति नमूना मंच के पास एक हैलोजन प्रकाश स्रोत है कि ऐसी बिक्रीसूत्र प्रभावी ढंग से तितर बितर संग्रह की स्थिति के साथ जुड़े मंच में नमूना स्लॉट रोशन ।
    3. एक अंशांकन प्रकाश मीटर का उपयोग कर, जहां नमूना बैठना होगा स्थिति में अधिकतम तीव्रता पर प्रकाशक द्वारा प्रदान की प्रकाश तीव्रता रिकॉर्ड. तीव्रता मान प्रकाशक और नमूना चरण विन्यास के साथ भिन्न होगा, तथापि, रोशनी की तीव्रता कम से ५,००० लक्स की वांछित है.
    4. एक बार इस रोशनी सेटअप ठीक से इकट्ठे, मंच के लिए नमूनों वापसी, प्रकाशक ठीक से सक्रिय नमूना प्रकाश व्यवस्था है, फिर से ७० डिग्री सेल्सियस के लिए गर्मी, उचित equilibration की अनुमति, और दोहराने डेटा संग्रह प्रक्रिया अंधेरे पर प्रदर्शन नमूने, इस कदम की पूरी अवधि निर्बाध प्रत्यक्ष प्रकाश जोखिम प्रदान करने के लिए ऑप्टिकल प्रकाशक के साथ.
  3. उसाँस उपाययोजना
    1. एक तापमान नियंत्रित नमूना चरण के भीतर क्वार्ट्ज बाजा कोशिकाओं और तांबे या टाइटेनियम ब्लॉकों में जगह का उपयोग कर एक समान फैशन में उसाँस नमूने तैयार करें ।
    2. साधन वैज्ञानिक की मदद के साथ, संरेखित करें और दिए गए न्यूट्रॉन तरंग दैर्ध्य पर बफ़र्स की अपेक्षित संख्या को रोजगार साधन जांच करने के लिए लगभग 10 से Q मानों के विश्लेषण की अनुमति देने के लिए-5 -10-3 Å-1, लंबाई की अनुमति माइक्रोन के आदेश पर तराजू जांच की जाए ।
    3. संस प्रयोगों के लिए एक समान फैशन में प्रयोगात्मक स्क्रिप्ट विकसित, थर्मल equilibration और प्रत्येक तापमान पर डेटा संग्रह के लिए अनुमति पहले से अध्ययन किया ।
    4. बिना कारण प्रयोगों को दोहराने फिर, स्क्रिप्ट निष्पादित एक बार के तहत "अंधेरे" शर्तों और फिर के तहत "प्रकाश" शर्तों.

3.डेटा में कमी और विश्लेषण

  1. संस कमी और विश्लेषण
    1. संबंधित कमी कार्यक्रम का प्रयोग,३२ इनपुट तितर-बितर, पृष्ठभूमि (विलायक), खाली सेल, अवरुद्ध बीम, और संचरण मापन के लिए डेटा फ़ाइलें उचित पृष्ठभूमि घटाव पूरा करने के लिए और पूर्ण करने के लिए कैटरिंग डेटा का रूपांतरण cm में तीव्रता की इकाइयां-1.
    2. डेटा के साथ उचित रूप से कम है, एक मॉडल है कि दो फिटिंग समीकरण के रैखिक इसके अलावा है, एक अंडाकार सिलेंडर मॉडल के माध्यम से nanofibril समुच्चय का प्रतिनिधित्व करने के लिए प्रयोगात्मक कैटरिंग डेटा फिटिंग द्वारा विश्लेषण शुरू,३३ और एक अंय खाते में समाधान में मुक्त श्रृंखला बहुलक बाहर रखा मात्रा मॉडल के माध्यम से ले । ३४ , ३५ नीचे समीकरण इस संयोजन मॉडल दृष्टिकोण का वर्णन करता है:
      Equation 1
      इस समीकरण में, ϕP3HT समाधान में P3HT के कुल मात्रा अंश का वर्णन करता है, एकत्रित P3HT की मात्रा अंश वर्तमान और एक अंडाकार सिलेंडर के रूप में मॉडलिंग की है, Equation 2 पीPEV मुक्त श्रृंखला बहिष्कृत मात्रा है P3HT के लिए फार्म का कारक, पीECM का वर्णन करता है समुच्चय के लिए अंडाकार सिलेंडर फार्म का कारक है, और और तितर बितर लंबाई घनत्व (SLD) P3HT समुच्चय और विलायक के बीच इसके विपरीत है और मुक्त के बीच Equation 3 Equation 4 P3HT जंजीरों और विलायक, क्रमशः । प्रणाली के सभी घटकों के लिए SLD मूल्यों उनकी रासायनिक संरचना और बड़े पैमाने पर घनत्व का एक ज्ञान और सबसे न्यूट्रॉन विश्लेषण कार्यक्रम या ऑनलाइन के भाग के रूप में उपलब्ध एक SLD कैलकुलेटर के उपयोग के साथ गणना की जा सकती है । ३६
    3. उचित फिटिंग NCNR इगोर फिटिंग मैक्रोज़३७ या SASView फिटिंग कार्यक्रम का उपयोग कर प्रक्रियाओं पर, प्रकाश और अंधेरे में सभी तापमान पर gelled प्रणाली के लिए महत्वपूर्ण संरचनात्मक मापदंडों के लिए मूल्यों का अधिग्रहण, की ठहराव की अनुमति रूपात्मक तापमान और प्रकाश जोखिम के एक समारोह के रूप में इस प्रक्रिया में होने वाली विकास । इन संरचनात्मक मापदंडों में nanofibrils, परिचलन के मुक्त श्रृंखला त्रिज्या (Rg) और Porod नवोन्मेष, और nanofibril चरण में मौजूद सामग्री की कुल मात्रा का गुणात्मक मूल्यांकन, के पार के अनुभागीय क्षेत्र शामिल हैं ।
  2. उसाँस कमी आणि विश्लेषण
    1. संबंधित कमी कार्यक्रम का प्रयोग, इनपुट प्रत्येक बफर के लिए तितर बितर डेटा और पृष्ठभूमि डेटा के लिए सेमी-1की निरपेक्ष तीव्रता इकाइयों में एक ही कम वक्र में डेटा विलय.
    2. एक Guinier-Porod बिजली कानून मॉडल है जो समग्र कैटरिंग पैटर्न के मात्रात्मक मूल्यांकन उसाँस लंबाई पैमाने से जांच की अनुमति देता है का उपयोग कर डेटा का विश्लेषण, और कुल आरजी मूल्यों के अधिग्रहण की अनुमति देता है । ३८ NCNR इगोर फिटिंग मैक्रोज़ के माध्यम से इस विधि का उपयोग कर फ़िट३७ या SASView फिटिंग कार्यक्रम सभी तापमान और रोशनी की स्थिति में स्थूल कुल आरजी की तुलना की अनुमति है ।

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Representative Results

संस और उसाँस प्रयोगों के माध्यम से, डी-ODCB में P3HT की जमाना प्रक्रिया को 20 डिग्री सेल्सियस पर पूरी तरह से gelled राज्य में ७० ° c पर फैलाई गई समाधान स्थिति से प्रभावी ढंग से मॉनीटर किया गया । ये प्रयोग पूर्ण अंधकार में और श्वेत प्रकाश दीप्ति के अधीन किए गए थे । चित्रा 1 कुछ उदाहरण के संस कम डेटा घटता इन प्रयोगों से प्रदर्शित करता है, एक उदाहरण वक्र चित्रा 2में दिखाया फिट के साथ । इस डेटा से, तापमान घटने के रूप में होने वाले संरचनात्मक परिवर्तन प्रभावी ढंग से कब्जा कर लिया गया है, तापमान गिरता है के रूप में निरपेक्ष तीव्रता में एक स्पष्ट वृद्धि से चिह्नित. इसके अतिरिक्त, प्रत्येक दिए गए तापमान के लिए अंधेरे में अध्ययन किया और डेटा भूखंडों ओवरलैप नहीं करते के रूप में प्रकाश में अध्ययन किया उन नमूनों के बिखरने डेटा के बीच एक स्पष्ट विसंगति है । यह इंगित करता है कि प्रकाश एक्सपोज़र काफी एकत्रीकरण प्रक्रिया को प्रभावित करता है । चित्रा 3 बिना डेटा से संयुक्त फिट मॉडल का उपयोग कर निकाले गए संरचनात्मक मापदंडों की एक किस्म के लिए मूल्यों को प्रदर्शित करता है और दोनों nanofibril समुच्चय और समाधान में अभी भी मुक्त श्रृंखला पर संरचनात्मक जानकारी प्रदान करता है. nanofibril सतह क्षेत्र बेलनाकार नैनो स्केल P3HT समुच्चय के चेहरे की सतह क्षेत्र का वर्णन करता है और ECM स्केल कारक समग्र चरण में उपस्थित P3HT की मात्रा का एक गुणात्मक विवरण देता है, जबकि मुक्त श्रृंखला Rg और Porod घातांक का वर्णन आकार और प्रपत्र का कारक P3HT chains अभी तक समाधान में gelled नहीं है । इन मापदंडों में प्रत्येक दिए गए तापमान पर और प्रकाश और अंधेरे नमूनों के बीच एक दिया तापमान पर महत्वपूर्ण अंतर संकेत मिलता है कि प्रयोग और फिटिंग प्रक्रिया इस जमाना प्रक्रिया पर प्रकाश जोखिम के प्रभाव पर कब्जा कर लिया है । के बाद से वे एक काफी कम क्ष सीमा रोजगार, उसाँस प्रयोगों बड़ा लंबाई P3HT स्थूल समुच्चय के साथ संगत तराजू के लक्षण वर्णन, और एक ही संस प्रयोगों में इस्तेमाल किया दृष्टिकोण मिरर द्वारा, पर तापमान और प्रकाश का प्रभाव इन समुच्चय का आकार प्रभावी रूप से मात्रा है । चित्रा 4 उसाँस डेटा एक ही तापमान के लिए बिना किसी डेटा के साथ प्लॉट किया गया दिखाता है, और चित्रा 5 एक शक्ति कानून मॉडल के साथ फिटिंग उसाँस डेटा के माध्यम से प्राप्त Rg डेटा प्रदर्शित करता है । यह Rg मान जमाना की प्रगति के रूप में घटते तापमान के साथ बढ़ता है और बड़े पैमाने पर microstructures बनाने के लिए व्यक्तिगत P3HT को स्वयं एकीकृत nanofibrils है । और बिना किसी डेटा के साथ, प्रकाश और अंधेरे डेटा के बीच स्पष्ट अंतर मौजूद है, विशेष रूप से प्रकाश जोखिम के साथ छोटे Rg मान दिखा रहा है ।

Figure 1
चित्र 1: 70-20 ° c तापमान रैंप के माध्यम से डी-ODCB में P3HT के 17 wt% नमूने के लिए छोटा कोण न्यूट्रॉन कैटरिंग डेटा. सफेद प्रकाश रोशनी (खुला प्रतीकों) और पूर्ण अंधेरे में (बंद प्रतीकों) के तहत एकत्र डेटा । त्रुटि पट्टियां रिपोर्ट वाद्य त्रुटि । अनुमति के साथ संदर्भ 28 से reproduced । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 2
चित्र 2: उदाहरण के लिए एक संयोजन मॉडल दोनों अंडाकार सिलेंडर और बहुलक शामिल की मात्रा मॉडल 17 wt% P3HT बिना डेटा ३४ डिग्री सेल्सियस पर एकत्र सफेद प्रकाश रोशनी की उपस्थिति में इकट्ठा का उपयोग कर फिट । अनुमति के साथ संदर्भ 28 से reproduced । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 3
चित्र 3: एक ७०-20 ° c तापमान रैंप के माध्यम से 17 wt% P3HT के लिए संयुक्त मॉडल फिट से प्राप्त मापदंडों का चयन करें, काले निशान के साथ अंधेरे में अध्ययन किया, और लाल निशान का संकेत नमूने रोशनी के तहत अध्ययन किया: (a): nanofibril सतह क्षेत्र, (B): एलिप्टिकल सिलिंडर मॉडल स्केल फैक्टर, (C): फ्री चेन के परिचलन की त्रिज्या, और (D): Porod नवोन्मेष की मुक्त श्रृंखला । त्रुटि पट्टियां रिपोर्ट फ़िट मानक विचलन त्रुटि मान जनरेट किया गया है । अनुमति के साथ संदर्भ 28 से reproduced । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 4
चित्र 4: दोनों प्रबुद्ध (ग्रे) और डार्क (ब्लैक) नमूनों के लिए 24 ° c पर 17 wt% P3HT का छोटा और अति-छोटा कोण कैटरिंग डेटा. त्रुटि पट्टियां रिपोर्ट वाद्य त्रुटि । अनुमति के साथ संदर्भ 28 से reproduced । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

Figure 5
चित्र 5: परिचलन मूल्यों की त्रिज्या 17 wt% P3HT उसाँस डेटा फिट से प्राप्त दोनों प्रबुद्ध (लाल) और काले (काले) नमूनों के लिए एक Guinier-Porod बिजली कानून मॉडल के साथ । त्रुटि पट्टियां रिपोर्ट फ़िट मानक विचलन त्रुटि मान जनरेट किया गया है । अनुमति के साथ संदर्भ 28 से reproduced ।

Figure 6
चित्र 6: मुक्त श्रृंखला से P3HT विधानसभा प्रक्रिया का चित्रण अंतिम माइक्रोन-स्केल समुच्चय के लिए । अनुमति के साथ संदर्भ 28 से reproduced । कृपया यहां क्लिक करें इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण को देखने के लिए ।

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Discussion

सबसे पहले, तापमान के एक समारोह के रूप में बिना किसी डेटा को देख, अंडाकार सिलेंडर मॉडल स्केल फैक्टर में वृद्धि nanofibril चरण में मौजूद P3HT की मात्रा में एक चिह्नित वृद्धि इंगित करता है, जो जमाना प्रक्रिया की प्रगति के साथ isconsistent . इसके साथ ही, मुक्त श्रृंखला आरजी में कमी Porod नवोन्मेष में वृद्धि के साथ जोड़ा पता चलता है कि बिगड़ती ऊष्मा तापमान में कमी के साथ जुड़े स्थिति P3HT श्रृंखला में अभी भी मौजूद एक श्रृंखला पतन पैदा कर रहे हैं समाधान. इन परिणामों, उसाँस डेटा के साथ संयुक्त macroaggregate आरजी में तापमान कम होने पर एक उल्लेखनीय वृद्धि दिखा रहा है, संकेत मिलता है कि कैटरिंग प्रयोगों को प्रभावी ढंग से कब्जा कर लिया है और संरचनात्मक स्वयं विधानसभा की प्रगति का विश्लेषण सोल-जेल संक्रमण, एक प्रक्रिया है कि चित्रा 6में कल्पना की है के लिए केंद्रीय प्रक्रिया । प्रकाश जोखिम के एक समारोह के रूप में इन प्रयोगों के परिणामों का विश्लेषण और जमाना प्रक्रिया पर रोशनी के प्रभाव से संबंधित जानकारी प्रदान करता है और अंतिम कुल संरचनाओं का गठन किया । चित्रा 2 में सभी बिना मापदंडों की तुलना तापमान की एक सीमा से अधिक प्रकाश और अंधेरे नमूनों के बीच मतभेद पता चलता है, के रूप में चित्रा 3में उसाँस डेटा करता है. एक साथ लिया, यह जानकारी इंगित करता है कि प्रकाश जोखिम प्रभावी ढंग से P3HT एकत्रीकरण प्रक्रिया में बाधा, nanofibril चरण में एकत्र कम सामग्री में जिसके परिणामस्वरूप (ECM स्केल फैक्टर परिणाम द्वारा संकेत) और छोटे माइक्रोन पैमाने समुच्चय ( उसाँस Rg मान) द्वारा दिया गया है । इस प्रकार, इस प्रयोग भी संयुग्मित बहुलक अंधेरे बनाम प्रकाश में आयोजित जमाना के बीच मतभेदों पर बल दिया है और उपकरण प्रासंगिक सक्रिय परत morphologies जो गठन कर रहे है पर रोशनी की स्थिति के महत्व को रेखांकित किया ।

जब उपरोक्त विधि के लिए एक समान प्रयोगात्मक दृष्टिकोण पर विचार यह ध्यान में प्रणाली के लिए निहित सीमाओं को रखने के लिए महत्वपूर्ण है । न्यूट्रॉन कैटरिंग बहुलक प्रणालियों में नैनोमीटर स्केल संरचनाओं के लिए angstrom का विश्लेषण करने के लिए एक शक्तिशाली तकनीक है, तथापि, लंबाई तराजू जो इस श्रेणी के ऊपर या नीचे झूठ है बेहतर अन्य तकनीकों द्वारा जांच की जाती है । इसके अतिरिक्त, यदि ब्याज की बहुलक प्रणाली के घटकों में से एक आसानी से deuterated नहीं कर रहे हैं, यह स्वीकार्य परिणाम के लिए आवश्यक विपरीत के स्तर को प्राप्त करने के लिए मुश्किल हो सकता है । इसके अलावा, न्यूट्रॉन बीम समय की सीमित मात्रा को देखते हुए, प्रयोगों सावधानी से एक अपेक्षाकृत केंद्रित ध्यान के साथ योजना बनाई जानी चाहिए. यह भी महत्वपूर्ण है के लिए एक उपयुक्त मजबूत फिटिंग मॉडल पूर्व निर्धारित प्रयोगों के लिए विश्लेषण की प्रक्रिया के दायरे संकीर्ण और प्रणाली के उचित मॉडलिंग सुनिश्चित करने के लिए शुरू करते हैं ।

यह मानते हुए कि एक प्रयोग इन शर्तों को पूरा करता है, इन न्यूट्रॉन कैटरिंग तरीकों को एक अद्वितीय उपकरण की पेशकश विनीतता से कई पर्यावरणीय उत्तेजनाओं के एक समारोह के रूप में लंबाई तराजू की एक सीमा से अधिक बहुलक प्रणालियों के संरचनात्मक विकास की निगरानी, जैसे तापमान और प्रकाश जोखिम । इन तरीकों का दोहन बहुलक-विलायक प्रणालियों की एक विशाल विविधता के लिए इन पद्धतियों के विस्तार के लिए अनुमति देने के लिए संरचनात्मक सहित शर्तों की एक किस्म में परिवर्तन के कारण होने वाली परिवर्तन का पता लगाने सकता है (लेकिन सीमित नहीं) बहुलक एकाग्रता, विलायक गुणवत्ता, dopant इसके अलावा, और थर्मल इतिहास ।

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Disclosures

लेखकों का खुलासा करने के लिए कुछ नहीं है ।

Acknowledgments

लेखक कृतज्ञता इस परियोजना के समर्थन के लिए राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन (DMR-१४०९०३४) स्वीकार करते हैं । हम राष्ट्रीय मानक और प्रौद्योगिकी संस्थान, अमेरिका के वाणिज्य विभाग के समर्थन को भी स्वीकार करते हैं, इस कार्य में प्रयुक्त उसाँस सुविधाएं प्रदान करने में, जहां इन सुविधाओं को समझौते के तहत राष्ट्रीय विज्ञान फाउंडेशन द्वारा भाग में समर्थन किया जाता है नहीं. DMR-०९४४७७२. इस अनुसंधान के संस प्रयोगों ORNL के उच्च फ्लक्स आइसोटोप रिएक्टर, जो वैज्ञानिक उपयोगकर्ता सुविधाओं प्रभाग, बुनियादी ऊर्जा विज्ञान, अमेरिका के ऊर्जा विभाग के कार्यालय द्वारा प्रायोजित किया गया था पर पूरा किया गया ।

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

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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).

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रसायन विज्ञान अंक १३० ऑप्टिकली सक्रिय पॉलिमर संयुग्मित पॉलिमर बहुलक जैल छोटे कोण न्यूट्रॉन कैटरिंग उत्तेजनाओं-उत्तरदायी सामग्री थर्मामीटरों-प्रतिवर्ती
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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).

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