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2成分ポリマー半導体システムのマイクロ流体印刷のためのミックスフロー設計
Mixed-flow design for microfluidic printing of two-component polymer semiconductor systems.
PMID: 32647062 DOI: 10.1073/pnas.2000398117.
抄録
各成分の高いレベルの相純度を持つ2成分共役ポリマーシステムの合理的な作成は、挑戦的であるが、印刷されたソフトマターエレクトロニクスを実現するために非常に重要である。ここでは、我々は大幅にバルクヘテロ接合太陽電池や薄膜トランジスタの相純度を高める2成分-ポリマーシステムのための混合流マイクロ流体印刷（MFMP）のアプローチを報告します。MFMPは、フローパターンを調整し、せん断、ストレッチ、プッシュアウト効果を誘導するための流体シミュレーションツールを使用して設計された特別に微細な構造のせん断ブレードを使用して層流と伸長流を統合します。これにより、原子間力顕微鏡（AFM）、透過型電子顕微鏡（TEM）、微小入射広角X線散乱（GIWAXS）、共鳴軟X線散乱（R-SoXS）、光起電力応答、電界効果移動度で評価されるように、ポリマーのコンフォメーションと半導体ブレンドの秩序が最適化されます。印刷オールポリマー（ポリ［（５，６-ジフルオロ-２-オクチル-２Ｈ-ベンゾトリアゾール-４，７-ジイル）-２，５-チオフェンジイル］［４，８-ビス［５-（２-ヘキシルデシル）-２-チエニル］ベンゾ［１，２-ｂ：４，５-ｂ'］ジチオフェン-２，６-ジイル］-２，５-チオフェンジイル］［Ｊ５１］の場合。(ポリ{[N,N'-ビス(2-オクチルドデシル)ナフタレン-1,4,5,8-ビス(ジカルボキシイミド)-2,6-ジイル]-アルト-5,5'-(2,2'-ビチオフェン)}) [N2200]）太陽電池では、短絡電流とフィルファクターを向上させ、電力変換効率を従来の5.20%から7.5%に向上させています。従来のブレードコーティングでは5.20%であった電力変換効率が、MFMPでは7.80%に向上しました。さらに、混合ポリマーアンバイポーラ[ポリ(3-ヘキシルチオフェン-2,5-ジイル)(P3HT):N2200]と半導体:絶縁性ポリマーユニポーラ(N2200:ポリスチレン)トランジスタの性能も同様に向上しており、2成分ポリマーシステムの汎用性を強調しています。ミックスフロー設計は、革新的な印刷方法論を介して高性能有機オプトエレクトロニクスを達成するための方法論を提供します。
The rational creation of two-component conjugated polymer systems with high levels of phase purity in each component is challenging but crucial for realizing printed soft-matter electronics. Here, we report a mixed-flow microfluidic printing (MFMP) approach for two-component -polymer systems that significantly elevates phase purity in bulk-heterojunction solar cells and thin-film transistors. MFMP integrates laminar and extensional flows using a specially microstructured shear blade, designed with fluid flow simulation tools to tune the flow patterns and induce shear, stretch, and pushout effects. This optimizes polymer conformation and semiconducting blend order as assessed by atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM), grazing incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS), resonant soft X-ray scattering (R-SoXS), photovoltaic response, and field effect mobility. For printed all-polymer (poly[(5,6-difluoro-2-octyl-2H-benzotriazole-4,7-diyl)-2,5-thiophenediyl[4,8-bis[5-(2-hexyldecyl)-2-thienyl]benzo[1,2-b:4,5-b']dithiophene-2,6-diyl]-2,5-thiophenediyl]) [J51]:(poly{[N,N'-bis(2-octyldodecyl)naphthalene-1,4,5,8-bis(dicarboximide)-2,6-diyl]-alt-5,5'-(2,2'-bithiophene)}) [N2200]) solar cells, this approach enhances short-circuit currents and fill factors, with power conversion efficiency increasing from 5.20% for conventional blade coating to 7.80% for MFMP. Moreover, the performance of mixed polymer ambipolar [poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT):N2200] and semiconducting:insulating polymer unipolar (N2200:polystyrene) transistors is similarly enhanced, underscoring versatility for two-component -polymer systems. Mixed-flow designs offer modalities for achieving high-performance organic optoelectronics via innovative printing methodologies.