聚噻吩/绝缘聚合物共混物的形貌调控及电学性能研究

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有机半导体因其柔性、轻质、可溶液加工、适合于大面积化制备等优点,在有机电子学器件领域得到了广泛的关注和深入的研究。为了满足工业化应用的需求,进一步降低其成本,提升器件稳定性及电学性能十分必要。鉴于此,半导体/绝缘聚合物(SP/IP)复合材料应运而生。虽然研究人员目前制备出了高电学性能的SP/IP复合材料,但是对电荷传输增强的物理机制并不清楚,而且甚至不清楚产生这种增强现象的形态学关键特征,这严重制约了这个现象的进一步优化和应用。本论文以半导体聚合物聚(3-己基噻吩)(P3HT)及其共混物为研究对象,重点考察了同组分复合薄膜中,薄膜形貌对材料电学性能的影响;探究了不同绝缘聚合物对P3HT/IP复合薄膜电导率贡献差异的原因及一种新型的聚合物掺杂剂对P3HT的掺杂效果。本论文的主要内容及所取得的创新性成果如下:  首先,以P3HT/PS(聚苯乙烯)共混物为研究对象,研究了薄膜形貌对电导率的影响。通过控制旋涂前预先结晶的P3HT溶液与PS溶液的共混时间,调控溶液中两相分布状态,获得了相分离尺度逐渐减小的一系列复合薄膜:从典型的大尺度两相相分离形貌逐渐演变为均一的互穿网络结构。随着溶液混合时间的延长,P3HT/PS复合薄膜电导率显著增大,而P3HT相的结晶度却逐渐减小。排除了组分差别,半导体相形貌、分布状态及结晶度差异的影响,我们将复合薄膜增强的电导率归结于两相间增大的界面面积。我们用P3HT/PI(聚异戊二烯)体系验证了这一结论。电导率和界面面积之间的定性关系为通过形貌优化提升SP/IP复合材料的电学性能指明了方向。  其次,从绝缘聚合物分子量、介电常数、室温力学状态及空气中氧气的掺杂等方面探究了不同P3HT/IP复合薄膜电导率差异的原因。复合薄膜载流子浓度测试结果及电导率稳定性实验均表明氧气对不同复合薄膜不同程度的掺杂是导致其电导率差异的根本原因,这将为高电学性能复合材料实际应用中绝缘聚合物的选择提供参考依据。  最后,为了解决现有掺杂剂溶解性不匹配和稳定性较差的问题,我们合成了一种新型的聚合物掺杂剂,溴化聚苯乙烯(BPS)。将其与P3HT共混,提升了P3HT的电学性能,包括增长的的电导率和空穴迁移率,且两者均随着BPS溴化程度的提升而增大。电学性能的提升源自于BPS对P3HT掺杂导致的载流子浓度的提升。和传统的小分子掺杂剂相比,聚合物掺杂剂BPS不仅显示出卓越的掺杂稳定性,还具备好的溶液加工性,是获得高性能有机电子学器件的一种很有潜力的材料。
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