共轭聚合物π-π堆积间距及凝聚态结构调控和器件性能的研究

Decreasing the π-π stacking distances between conjugated polymer chains is a direct and important strategy to elevate the carrier mobility along the π-π stacking direction and even in the whole film device. Better understanding the clear process of variation of π-π stacking distances in conjugated polymer systems, developing the effective physical methods to tune π-π stacking distances and correlating the condensed structures in films and the final device performance are helpful to guide the optimization of morphology and electric properties for conjugated polymers. Therefore, our works will focus on the following aspects in this project: (1) Researching into the variation principle of π-π stacking distances with the conjugated chemical structures under the same solution environment and processing method, and summarizing the conjugated structural parameters to influence the π-π stacking distances. (2) Clarifying the effect of solvent and processing method on the physical state of backbones and side-chains plus their interactions during crystallization, realizing the effective tuning of π-π stacking distances by physical methods and proposing the corresponding mechanism. (3) Simultaneously optimizing the preferred π-π stacking distances and thermodynamic ordered state such as crystallinity, long range ordered alignment and molecular orientation, et al, by combining tuning solution state and processing parameters. (4) Constructing the mutual relation between physical driving forces, morphology and structures in films and carrier mobility to provide the theoretical guidelines for optimizing the morphology and performance of conjugated polymer films further.

降低共轭聚合物π-π堆积间距是提高沿π-π叠加方向上载流子迁移率的重要手段。理解影响共轭聚合物体系π-π堆积间距的基本物理过程，掌握调控π-π堆积间距的有效物理手段，建立薄膜凝聚态结构和器件性能间的关系，对进一步优化薄膜凝聚态结构并提高器件性能具有指导意义。本项目主要内容包括：(1)研究不同分子结构在相似的溶液环境和加工条件下π-π堆积间距的变化规律，总结影响π-π堆积间距的相关参数。(2)研究溶剂环境和加工方法对聚合物分子结晶过程中主链及侧链物理状态和相互作用的影响，通过物理手段实现对共轭聚合物π-π堆积间距的控制并阐述相关机理。(3)将溶液状态与成膜手段相结合，在调节π-π堆积间距的同时分析其与薄膜热力学状态的相互影响，实现π-π堆积间距和结晶性、长程有序排列及分子取向的同时优化。(4)系统构建溶液状态-薄膜形貌-载流子迁移率间的关系，为进一步优化形貌、提高载流子迁移率提供理论依。

共轭聚合物因其具有独特的结构特征(π电子共轭体系)、溶液加工特性及光电性质可调等优异特点，广泛应用于有机场效应晶体管及有机太阳能电池等领域。共轭聚合物的载流子迁移率是决定有机光电器件性能的重要参数, 它不仅取决于组成共轭聚合物基元的分子结构, 还取决于薄膜中共轭聚合物的凝聚态结构。研究表明如何实现在降低π-π堆积间距的基础上增加参与π-π堆积分子的数量及增强π-π堆积的程度，是进一步提高迁移率的关键！本项目从热力学角度及动力学角度，分别阐释了共轭聚合物分子堆积行为的影响因素，并以此为基础实现了π-π堆积间距的降低、π-π堆积程度的增加及参与π-π堆积分子数量的增多。主要研究内容包括：（1）通过降低分子缠结程度及空间位阻，提高分子共平面性及通过控制成膜动力学、引入第三组分增加分子间相互作用，降低分子间π-π堆积间距。（2）通过调节溶剂-溶质相互作用参数等降低分子缠结程度，在此基础上调节溶剂极性及溶液温度等降低分子内聚集并增加分子共平面性，实现聚合物生长形成纳米线的热力学基础；同时结合溶剂挥发动力学，促进晶体生长速率与溶剂挥发速率匹配，实现了共轭聚合物纳米线的制备，大幅增加了分子间π-π堆积程度。（3）在上述工作的基础上，在共混体系中通过调节分子间作用力大小及降低两组分结晶过程中的相互干扰，实现了共混体系中共轭分子π-π堆积间距的降低及参与π-π堆积分子数量的增加，建立了分子π-π堆积行为与器件性能间关联。在Adv. Funct. Mater.，Nanoscale等杂志发表论文14篇，相关研究成果被国内外研究小组关注，被Adv. Mater.，Macromolecule等杂志做了正面评述。参加相关学术会议2人次；培养博士毕业生3人，硕士毕业生2人。