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烷基侧链长度对高度取向F4TCNQ掺杂PBTTT薄膜中掺杂动力学、热电势及电荷传输性能的影响

DOI:10.1021/acsami.8b17594 期刊:ACS Applied Materials & Interfaces 出版年份:2019 更新时间:2025-09-23 15:22:29
摘要: 通过向PBTTT等聚合物半导体中掺杂F4TCNQ等受体分子来调控薄膜的电荷传输和热电(TE)性能是常用方法。然而关于掺杂剂在聚合物基质中的插入机制、插入动力学及最终达到的掺杂水平研究甚少。本研究探讨了直链烷基侧链长度(从正辛基到正十八烷基)对一系列PBTTT掺杂机制的影响。通过高温摩擦取向薄膜并在F4TCNQ溶液中逐层掺杂,结合透射电子显微镜、偏振紫外-可见-近红外光谱以及电荷传输/热电势测量,建立了侧链长度相关的结构-性能关联。研究发现F4TCNQ插入侧链层会导致所有聚合物沿侧链方向晶格膨胀而沿π堆叠方向收缩,且这种晶格膨胀程度随侧链长度增加而减弱。紫外-可见-近红外光谱显示所有PBTTT均发生整数电荷转移。掺杂动力学和最终掺杂水平同时受侧链长度和堆积方式影响:高度无序的正辛基层与结晶态正十八烷基层会阻碍掺杂剂在侧链层扩散,而正十二烷基侧链能容纳最高比例掺杂剂。因此C12-PBTTT薄膜展现出最佳热电性能。聚合物取向显著提升了沿摩擦方向的电荷电导率和热电势,使C12-PBTTT取向薄膜沿摩擦方向电导率达193 S/cm,功率因子约100 μW·m?2·K?1(非取向薄膜仅为几μW·m?2·K?1)。
作者: Vishnu Vijayakumar,Elena Zaborova,Laure Biniek,Huiyan Zeng,Laurent Herrmann,Alain Carvalho,Olivier Boyron,Nicolas Leclerc,Martin Brinkmann
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研究烷基侧链长度对高度取向的F4TCNQ掺杂PBTTT薄膜中掺杂动力学、热电势和电荷传输性质的影响。

烷基侧链长度显著影响F4TCNQ掺杂PBTTT薄膜的掺杂动力学、结构变化及热电性能。C12-PBTTT因侧链堆积最优化而表现出最佳性能,实现了高电荷导电率和功率因子。分子取向可增强各向异性特性,这对设计高效有机热电材料具有重要启示。

该研究仅限于具有直链烷基侧链的特定PBTTT聚合物,并以F4TCNQ作为掺杂剂。掺杂方案采用乙腈作为溶剂,使用其他溶剂或掺杂剂可能导致结果不同。薄膜厚度和取向方法可能引入变异性。

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