Subdiffraction Resolution Microscopy on Charge Injection into Conjugated Polymer Nanoparticles
Final Report Abstract
In diesem Projekt sollte ein fundamentales Verständnis über die Verbindung von energetischen und morphologischen Eigenschaften konjugierter Polymermaterialen erworben werden. Diese Klasse von Materialien hat einen besonderen Stellenwert für preiswert zu produzierende elektronische Geräte, wie z. B. im Bereich der organischen Photovoltaik (OPV) und organischen licht-emittierenden Dioden (OLED). In diesen Materialien spielt der elektronische Energietransferprozess eine entscheidende Rolle, da dieser ein limitierender Faktor bezüglich der Energieeffizienz von OPV´s oder Leuchtkrafteffizienz von OLED´s ist. Um jedoch den elektronische Energietransferprozess und seine morphologische Abhängigkeit studieren zu können, wird ein besseres Verständnis zur Kontrolle über die Morphologie dieser Materialien benötigt. Annealing mittels Lösungsmitteldampf (engl. solvent vapor annealing, SVA) schien eine vielversprechende Methode zu sein um die Morphologie von einzelnen fluoreszierenden konjugierten Polymeren eingebettet in einer nicht-fluoreszierenden Polymerwirtsmatrix zu beeinflussen. Jedoch fehlte ein detailliertes molekulares Bild dieses industriell sehr wichtigen SVA Prozesses. Daher wurde im ersten Teil dieses Projekts eine Einzelmolekülfluoreszenzspektroskopie-Studie (engl. single-molecule spectroscopy, SMS) dieses Prozesses durchgeführt. Der SVA Prozess konnte mit Hilfe einer selbstentwickelte Lösungsmitteldampfflusskammer zusammen mit SMS auf Einzelmolekülebene in situ und in Echtzeit verfolgt werden. Es konnten die Diffusion, Dynamiken des Faltungs- und Entfaltungsvorgangs, sowie Veränderungen der Morphologie an einzelnen konjugierten Polymerketten beobachtet werden. Der Polymerfilm absorbiert während des SVA Prozesses das Lösungsmittel, wodurch die Glastemperatur auf Raumtemperatur herabgesenkt wird und eine äußerst heterogene Diffusion mit gleichzeitigen Entfaltungs- und Faltungsvorgängen der einzelnen konjugierten Polymerketten bewirkt hat. Desweiteren wird die Konformation konjugierter Polymerketten durch den SVA Prozess in einen Gleichgewichtszustand überführt, welcher durch eine äußerst geordnete Konformation beschrieben werden kann. Diese Untersuchungen führten zu einer Publikation in Angewandte Chemie. Diese Arbeit erlangte großes Aufsehen in der Polymer und SMS Gemeinde und führte zu einem News & Views Artikel in Nature (Fu Y., Lakowicz J. R., Nature, 2011, 472, 178-179) und Nature Chemistry (Rothberg L., Nature Chemistry, 2011, 3, 425-426) sowie zu einem Highlight in Angewandte Chemie (Feist F. A., Basché T., Angew. Chem. Int. Ed., 2011, 50, 5256-5257). Darauf aufbauend konnte eine Methode entwickelt werden um einzelne konjugierte Polymerketten in größere mesoskopische Objekte aggregieren zu lassen und diesen Prozess wiederum in situ zu verfolgen. Dadurch entstand die Möglichkeit die Evolution der morphologischen Ordnung und der optoelektronischen Parameter während des Übergangs von einzelnen Polymerketten hinzu einem reinen Festkörper zu verfolgen. Es wurde mittels SMS gezeigt, dass die geordnete Struktur einzelner konjugierter Polymerketten bis zu Aggregaten der Größe von ~45000 nm³ bestehen bleibt und das diese Aggregate einen außerordentlich langreichweitigen Energietransferprozess aufweisen.
Publications
- Self-Assembly of Highly Ordered Conjugated Polymer Aggregates with Long-Range Energy Transfer. Nature Materials, (2011)
Vogelsang J., Adachi T., Brazard J., Vanden Bout D.A., Barbara P.F.
(See online at https://doi.org/10.1038/nmat3127) - Watching the Annealing Process One Polymer Chain at a Time. Angew. Chem.-Int. Edit. 50, 2257-2261 (2011)
Vogelsang J., Brazard J., Adachi T., Bolinger J.C. & Barbara P.F.
