复旦大学二维共轭材料与器件实验室
暨 高分子科学系魏大程课题组
Two Dimensional Conjugated Material and Device Laboratory & Wei's Group @ Fudan University
Science: 纳米纤维有机半导体激子传递超过200 nm


第一作者:Xu-Hui Jin, Michael B. Price

通讯作者:Ian Manners、George R. Whittell, Richard H. Friend

第一单位:布里斯托大学(英国)

研究亮点:

1.发展了一种多步晶种自组装法生长核壳结构有机半导体纳米纤维的方法。

2.实现了有机半导体激子传递距离的精确控制,最长可超过200 nm,在有机光伏和光电领域应用实现新的突破!

在有机光伏器件和光电器件应用领域,有机半导体激子传递长度一般为数十纳米尺度,如何获得超过100 nm的传递距离,增强光捕获能力,是科研工作者多年来的夙愿。

有鉴于此,英国布里斯托大学Ian Manners、George R. Whittell和剑桥大学Richard H. Friend团队合作,采用晶种多步自组装法生长得到核壳结构嵌段共聚物纳米纤维,激子传递距离可达到200 nm以上。


图1. 激子传递距离控制机理

这种嵌段聚合物纳米纤维由PDHF-PEG纳米纤维和PDHF-QPT纳米纤维多步组装而成B-A-B结构。发光的晶态PDHF作为内核,长度可达到10 μm,横截面积为三角形,宽12.9 nm,高4.5 nm。组装后的锯齿状聚乙二醇/聚噻吩包裹在PDHF外层,其中绝缘的聚乙二醇在纳米纤维的中间段,而荧光淬灭的聚噻吩在纳米纤维的两端。


图2. 有机半导体纳米纤维的合成


图3. 溶液中PDHF B-A-B结构发光性能

研究表明,由于PDHF内核中产生的激子无法进入聚乙二醇层,因此传递距离可以通过聚乙二醇的长度实现调控。在纯PDHF-PEG体系中,激子传递距离达到200 nm以上,扩散系数为0.5 cm2 s-1。而在PDHF两端包裹上QPT淬灭层之后,通过减少PEG长度,激子传递距离可以得到精确调控。


图4. 光致发光动力学尺寸影响以及传递距离模型拟合。

研究人员认为,这种高质量的激子传递性能,可能是来源于结构有序的晶态内核形成的均匀能量分布,更深层次机理尚未可知。

参考文献:

Xu-Hui Jin, Michael B. Price, Ian Manners, Richard H. Friend, George R. Whittell, Ian Manners et al. Long-range exciton transport in conjugated polymer nanofibers prepared by seeded growth. Science 2018, 360, 897-900.


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