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[硕士论文] 沈鹏
材料科学与工程 苏州大学 2017(学位年度)
摘要:近年来,富勒烯超分子液晶吸引了众多科学家的研究兴趣。目前对于富勒烯超分子液晶的研究主要集中于其设计、合成以及结构表征中,对于其结构和性能之间关系的研究还不深入。本文研究了三类高富勒烯含量的超分子液晶的光电性能,其中的富勒烯液晶分别是由二维晶体自组装形成超分子液晶的 Cn-C8-C60系列(n=6,7,8,10,12,14,n为末端烷基链的碳链长度)和含偶氮苯基团的Cn-azo-C8-C60系列(n=4,7,8,9,12,n为偶氮苯上烷氧取代基的碳链长度),含手性中心的由超分子柱六方排列形成的C12-a-n-C60系列(n=6,8,10,12,n为中间柔性间隔基长度)超分子液晶。
  本研究主要内容包括:⑴通过SAXS,TEM和密度测试,研究了具有两种不同液晶态的Cn-C8-C60(n=6,8)化合物的液晶态结构。发现当n=6时,样品具有两个近晶A液晶相,其中C60富勒烯球在高温相中进行四层堆积形成二维晶体片层,在低温相中为三层堆积。当n=8时,高温相样品处于近晶A相,C60富勒烯球进行四层堆积形成二维晶体片层,低温相为近晶C相, C60富勒烯球进行三层堆积形成二维晶体片层。⑵通过空间电荷限制电流法测试计算了Cn-C8-C60(n=6,7,8,10,12,14)系列材料的电子迁移率,发现随着末端烷基链长的增加,其电子迁移率出现数量级上的下降,当n=6时,其电子迁移率可以达到1.92×10-3 cm2/V·s,与传统的有机光电材料PCBM相媲美。其原因是由于随着末端烷基链的增长,液晶中不导电的烷基层的厚度不断增加,导致其对电子的阻碍作用不断增加,因此表现出极大的电子迁移率衰竭。此外,当n=7时,由于该化合物具有层内有层的独特形貌,出现了最高电子迁移率3.95×10-3 cm2/V·s。⑶通过空间电荷限制电流法测试计算了Cn-azo-C8-C60(n=4,7,8,9,12)系列材料的电子迁移率,发现随着末端烷氧基链长的增加,其电子迁移率略有减少。当末端烷基链长度相等时,其迁移率大于Cn-C8-C60系列材料(除n=7)。这是由于烷基链层中存在共轭的偶氮苯基团,可以作为电子的传输通道,从而使得材料的电子迁移率随烷基链长度的变化较小。⑷通过空间电荷限制电流法测试计算了C12-a-n-C60(n=6,8,10,12)系列材料的电子迁移率,发现随着中间柔性间隔基链长的增加,电子迁移率呈现略有下降的趋势。与具有相同烷基尾链长度的 C12-C8-C60和 C12-azo-C8-C60相比,其电子迁移率远大于 C12-C8-C60液晶,与 C12-azo-C8-C60类似,这是由于手性中心的存在,导致C12-a-n-C60系列分子形成具有六方柱状相结构的的超分子液晶。⑸基于传统的P3HT/富勒烯衍生物有机太阳能电池制备了P3HT/C7-C8-C60有机太阳能电池器件,通过相同条件下控制给受体比例,发现随着受体比例的增加,其器件性能变化趋势为先上升后下降。其中,在1:2比例条件下,器件可获得最优性能,PCE最高可达到1.85%。
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