聚辛基芴薄膜热退火过程中结构变化的原位实时表征

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有机电致发光器件中,要想实现全彩色显示,必须要有稳定的红、绿、蓝三基色发射。而目前只有红色和绿色有机发光材料在发光效率和使用寿命上具有商业开发的价值,而要实现高稳定、高效率的蓝光发射目前还是一个难题。聚辛基芴(Poly(9,9-di-n-octyl-2,7-fluorene),PFO)作为重要的蓝色电致发光材料由于其高的空穴迁移率,高的光致发光量子效率而引起了人们的极大的兴趣并已被广泛的研究。并且它还具有很多种相态,除了非晶相之外,还有α相、α’相、β相以及向列液晶相这四个相态。这些不同的相态已经通过X射线衍射(XRD),透射型电子显微镜,紫外可见吸收光谱,荧光光谱等方法得到了鉴定。在这些相态中, β相的PFO因其纯正的蓝光发射以及特定的物理性能得到了科技工作者们的高度关注。通过常规方法旋涂得到的PFO薄膜是无定形的非晶状态。PFO其它的那些相态都需要通过特定的处理方法才能得到。例如想要非晶PFO薄膜中产生β相,需要对薄膜进行溶剂熏蒸或者将薄膜浸入溶剂和非溶剂混合物。我们在追踪β相形成的量时发现,自掺杂效应能够显著的提高薄膜的光致发光以及电致发光效率。α相PFO同样具有非常出色的性能表现,并且它仅通过热退火(一种经常被用来除去刚旋涂完的薄膜中残留的溶剂的方法)这种相对容易得多的方法就可以得到。在我们以前的工作中,我们发现,通过适当的控制热退火的温度可以抑制PFO薄膜中α相的生成,这同样能够在自掺杂效应的作用下显著的提升PFO薄膜的电致发光以及光致发光性能。尽管PFO的晶体结构已经被证实是正交晶系(a=2.56nm,b=2.34nm,c=3.32nm,8链,空间群为P212121,密度为1.041g/mL)。但是PFO薄膜从非晶态向α相转变时这个相转变过程的机理仍然不清楚。这是因为在过去的研究中,人们使用处于β相的厚膜(大约50μm)来进行研究,这样一来,薄膜从非晶相向α相转变过程的很多现象,都没有被观察到。例如80℃这个临界相转变温度点以及随着退火温度的升高α相逐渐增多。因此,通过原位退火的方法来表征PFO薄膜由非晶相向α相转变过程的机理是十分必要的。在这本文中,我们使用X射线衍射仪,紫外可见吸收光谱仪以及红外光谱仪的原位实时退火来表征PFO薄膜微结构的变化,揭示转变过程的机理并且发现了一个新的亚稳态液晶相k相。并成功解释了聚辛基芴在热退火过程中的相变机理。聚辛基芴非晶薄膜升温过程中,80℃以前,主链不发生活动,侧链开始运动,体系的规整性逐渐升高,但是因为侧链对整个体系的影响有限,所以这时候的衍射峰的相对值还是很低。当温度到80℃之后,主链开始活动,虽侧链的规整度开始下降,但是因为主链对体系的影响占主导作用,因此体系开始由非晶相转变成更加有序的亚稳态的k相,随着温度的升高,非晶相越来越多的变成k相,体系的规整性越来越高,直到温度达到160℃时,聚芴薄膜发生熔融。在降温过程中,主链随即发生大量重排成规整结构,侧链在这个过程中却鲜有变化,规整度很低,体系形成了大量的k相,体系的规整性大幅提高。当温度降至80℃时,亚稳态的k相转变成稳定的α相,当温度进一步降低时,在80℃规整度很低的侧链开始大量重排,侧链在有限的空间里的活动时的对主链进行缠结,使主链的结构发生了一定程度的微调,使得整体的规整性发生了小幅的下降。当把高结晶度的α相聚芴薄膜再次升温时,在80℃之前,主链不动,侧链开始活动,但是对整体的影响极小,当温度达到80℃时,侧链的规整性开始变得比较低,它对主链的缠结作用逐渐消除,因侧链的缠结而导致规整度略下降的主链从侧链的缠结中释放出来,重新在80℃处形成了α相的最规整的排列。因此,这时整体的规整性出现略微的上升。80℃后,α相开始转变成亚稳态的k相,直到熔融,之后的降温过程将重复之前的第一次降温过程。
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