基于同步辐射掠入射X射线散射的聚合物杂化金纳米粒子溶液成膜过程研究

In-depth studies of the surface/interface and their structural formation process of hybrid materials will help to decipher the relationship of microstructure and macroscopic property and to guide the design of new materials for improved device performance. In this project, we plan to synthesize a poly(3,4-ethylenedioxythiophene):polystyrene sulfonate and gold nanoparticle （PEDOT:PSS@AuNPs） hybrid material that has well-controlled size, shape and surface properties, and it can be dispersed in water. Synchrotron light based (grazing-incidence) small angle X-ray scattering will be combined with the resistance measurement for an in situ and in operando studies of the structure and conductive network formation during the solvent evaporation. These in situ and in operando studies together with the other complementary spectroscopy and electron microscopy results will help us to decipher the relationship of structural formation and conductivity of the PEDOT:PSS@AuNPs hybrid material. All these fundamental information could benefit the preparation of, for example, a water-based, sintering-free electronic ink with PEDOT:PSS@AuNPs.

本项目利用同步辐射光源先进表征技术研究新型杂化材料的溶剂挥发成膜过程，原位追踪杂化材料表界面结构及其动态演变路径，揭示微观结构和宏观性质的关联本质，为开发柔性电子新材料、改善器件性能提供理论依据。本项目将合成尺寸、形状及表面化学性质等方面精确控制的水基聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)金纳米粒子（PEDOT:PSS@AuNPs）杂化材料。以此为研究对象，将溶剂挥发成膜，同步辐射(掠入射)小角X射线散射结构表征与薄膜电阻在线测试相结合，原位在线研究PEDOT:PSS@AuNPs杂化材料溶液成膜过程中的微结构演变及导电通路形成过程。与其它谱学和电子显微镜学研究相结合，我们将阐明PEDOT:PSS@AuNPs杂化材料微观结构演变与宏观导电性能关联的本质。为水基无需后处理电子油墨等新型材料的开发提供理论基础。

本项目基于同步辐射X射线先进结构表征技术对导电高分子材料的构效关系进行原位研究。本项目以水基聚乙撑二氧噻吩-聚(苯乙烯磺酸盐)金纳米粒子（PEDOT:PSS@AuNPs）等杂化材料为研究对象，利用同步辐射小角X射线散射技术（SAXS/WAXS）原位研究了杂化材料的表界面结构及其在外场环境（温度、浓度等）下的溶液自组装行为。结合小角中子散射（SANS）和衬度匹配技术，首次证实了PEDOT:PSS杂化材料从分子尺度到介观组装体的四级结构。在此基础上，利用自己搭建的原位成膜装置，基于同步辐射掠入射X射线散射（GISAXS/GIWAXS）技术原位研究了溶液在溶剂挥发过程中的结构演变行为，并成功揭示聚合物薄膜中导电通路的形成过程。本项目的工作为导电高分子杂化材料的设计、加工及性能调控提供了理论指导，为应用于柔性电子的无需后处理电子墨水材料的开发提供了新思路。项目在包括npj flexible electronics, Chemistry of materials, Langmuir等期刊上发表SCI论文5篇，获授权发明专利3项；项目成果在GISAXS 2022 (德国，汉堡)，2021年全国晶体学年会（小角分会），第八届全国中子散射会议暨国家中子源多学科应用研讨会等国内外学术会议上做了邀请或口头汇报。资助硕士生2名。