加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校的教授Thuc-Quyen Nguyen領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊最新突破性研究中，成功地合成了一系列含有環(huán)戊二噻吩-替代-苯并噻二唑的共軛聚電解質(zhì)（CPE）。這些合成物的烷基鏈長度在2至5個碳原子之間變化，旨在探討這種長度變化如何影響其光學(xué)、電化學(xué)及形態(tài)特性。
由于這些共軛聚電解質(zhì)是混合導(dǎo)體，它們可以作為累積模式有機(jī)電化學(xué)晶體管（OECT）的有源層。這些聚電解質(zhì)的跨導(dǎo)、體積電容，以及離子和電子的電導(dǎo)率都受到其烷基鏈長度的影響。
此外，密度泛函理論（DFT）的計算結(jié)果有助于解釋為什么這些分子的摻雜程度會隨著結(jié)構(gòu)變化而有所不同。
該研究揭示，CPEs的跨導(dǎo)、體積電容以及離子和電子導(dǎo)電性會受到其烷基鏈長度的影響。這一發(fā)現(xiàn)對光伏行業(yè)具有重大意義，因為它可能為開發(fā)更高效和可調(diào)適的光伏設(shè)備鋪平道路。
此外，該團(tuán)隊利用密度泛函理論（DFT）計算來闡明分子結(jié)構(gòu)對摻雜易度的影響。這一見解可能在設(shè)計和制造有機(jī)電子設(shè)備，包括有機(jī)發(fā)光二極管（OLEDs）、有機(jī)薄膜晶體管（OTFTs）和生物成像設(shè)備中具有無可估量的價值。
研究團(tuán)隊表示："我們針對具有不同側(cè)鏈長度的共軛聚電解質(zhì)（Conjugated Polyelectrolytes, CPE）進(jìn)行了一項系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與性能關(guān)系研究。在研究這個特定系列的CPE之前，我們假設(shè)當(dāng)側(cè)鏈長度減少時，穩(wěn)定自由電子（polaron）的負(fù)電荷會更接近，進(jìn)而增加摻雜的易度。然而，我們使用紫外可見光譜儀（UV-VIS spectroscopy）得到的趨勢與這個假設(shè)相反。
環(huán)戊二噻吩衍生物和CPE薄膜的微分脈沖伏安法（Differential Pulse Voltammetry, DPV）結(jié)果顯示，側(cè)鏈長度的增加導(dǎo)致氧化潛力的降低。這種降低的氧化潛力可以解釋為形成自由電子的易度增加。來自高分辨率輝射X射線衍射（Grazing-Incidence Wide Angle X-ray Scattering, GIWAXS）的數(shù)據(jù)顯示，側(cè)鏈長度的增加會增加結(jié)晶度，這表明了較高的電洞遷移率。最后，在密度泛函理論（Density Functional Theory, DFT）研究中，我們發(fā)現(xiàn)側(cè)鏈較長的系統(tǒng)具有較低的形成能量。
初步的結(jié)構(gòu)與性能表征顯示，磺酸基對環(huán)戊二噻吩環(huán)具有電子吸引效應(yīng)，使得聚合物的氧化及摻雜變得困難。此外，較長的烷基鏈長度的靈活性可能有助于磺酸基與自由電子的接近，從而通過空間庫倫穩(wěn)定，導(dǎo)致自由電子穩(wěn)定度的提高以及摻雜程度的增加。這強(qiáng)調(diào)了對共軛聚電解質(zhì)進(jìn)行系統(tǒng)研究的重要性，以協(xié)助設(shè)計更好的材料。
我們的結(jié)論是，較短的烷基鏈長度不利于我們系統(tǒng)中的氧化開始，因此減少了共軛聚電解質(zhì)的摻雜程度。
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