Лазерная корреляционная спектроскопия молекулярного рассеяния света в донорно-акцепторных композициях полупроводникового полимера

На правах рукописиПАРАЩУК ОЛЬГА ДМИТРИЕВНАЛАЗЕРНАЯ КОРРЕЛЯЦИОННАЯ СПЕКТРОСКОПИЯМОЛЕКУЛЯРНОГО РАССЕЯНИЯ СВЕТАВ ДОНОРНО-АКЦЕПТОРНЫХ КОМПОЗИЦИЯХПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПОЛИМЕРАСпециальность 01.04.21 – лазерная физикаАВТОРЕФЕРАТдиссертации на соискание ученой степеникандидата физико-математических наукМосква – 20111Работа выполнена на кафедре общей физики и волновых процессов физическогофакультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова.Научный руководитель:кандидат физико-математических наукЛаптинская Татьяна ВасильевнаОфициальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессорПенин Александр Николаевич,физический факультет МГУ им. М.В.

Ломоносова,Москва;доктор физико-математических наук, профессорДанилейко Юрий Константинович,Институт общей физики им. А.М. Прохорова РАН,МоскваВедущая организация:Институт спектроскопии РАН, Троицк МосковскойобластиЗащита диссертации состоится « »2011 г. в ______ часов на заседаниидиссертационного совета Д 501.001.31 при Московском государственномуниверситете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, ГСП-1, Москва,Ленинские горы, МГУ, дом 1, стр. 62, корпус нелинейной оптики, аудиторияимени С.А.

Ахманова.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке физического факультета МГУимени М.В. Ломоносова.Автореферат разослан «____» _____________ 20____ г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 501.001.31,кандидат физико-математических наук, доцент2Т.М. ИльиноваОбщая характеристика работыАктуальность работыПолупроводниковые или сопряжѐнные полимеры (СП) — перспективныеорганические материалы для использования в оптоэлектронных и фотонныхустройствах, поскольку данные материалы совмещают в себе свойстваполупроводников (люминесценция, проводимость и т.д.) и привлекательныесвойства полимеров (пластичность, малый вес и т.д.).Уникальные свойства CП позволяют им служить перспективной основойдля изготовления солнечных фотоэлементов большой площади.

На данныймоментмаксимальнаяэффективностьфотоэлектрическогопреобразованияэнергии солнечного света в полимерных фотоэлементах превышает 8%. Ониоснованы на донорно-акцепторных композициях (ДАК) сопряжѐнных полимеров,в которых сформирован объемный гетеропереход. При этом морфологияобъемного гетероперехода, в частности масштаб разделения фаз донора иакцептора, во многом определяет эффективность фотоэлемента.Недавно были обнаружены межмолекулярные комплексы с переносомзаряда (КПЗ), образующиеся между CП и некоторыми низкомолекулярнымиакцепторами в основном состоянии.

КПЗ оказывает значительное влияние нафункционирование органических солнечных фотоэлементов: во-первых, КПЗобладает полосой поглощения в красной и ИК областях спектра, что позволяетрасширить диапазон фоточувствительности донорно-акцепторной смеси в областьоптической щели CП; во-вторых, наличие КПЗ в ДАК влияет на разделение фазакцептора и донора в пленке, что в свою очередь определяет морфологию пленки,а значит ихарактеристики объемного гетероперехода. Вместе с тем, такиеосновные характеристики КПЗ полупроводниковых полимеров, как константаассоциации и коэффициент экстинкции, практически не исследованы.

Значенияданных величин могут быть получены из анализа спектров поглощения икомбинационного рассеяния донорно-акцепторных смесей на основе СП.Влияние КПЗ на конформационное состояние полимера в растворе впринципе может быть использовано для управления морфологией объемного3гетеропереходасоответствующейпленки,посколькуизвестно,чтоконформационное состояние полимера может быть унаследовано из раствора втвердую фазу. Для исследования влияния КПЗ на конформационное состояниецепей СП в растворе широкие возможности дает информативный метод изучениядинамики полимерных молекул в растворе – лазерная корреляционнаяспектроскопия молекулярного рассеяния света, который также называютдинамическим рассеянием света (ДРС). Отметим, что растворы донорноакцепторных смесей полупроводниковых полимеров методом ДРС ранееисследованы не были.При исследовании донорно-акцепторных смесей СП методом ДРС следуетучитывать, что КПЗ в смеси может поглощать возбуждающее лазерное излучение.Эффект поглощения может значительно влиять на данные ДРС и должен бытьучтен при анализе экспериментальных данных ДРС.

Поэтому необходимоопределить условия, при которых возможно получение информации о динамикемолекул в поглощающих растворах.Цели диссертационной работы1.Установить, как формирование комплекса с переносом заряда в донорно-акцепторной смеси полупроводникового полимера влияет на конформационноесостояние сопряжѐнных цепей полимера в полуразбавленном и разбавленномрастворах.2.Определитьусловия,прикоторыхспомощьюметодалазернойкорреляционной спектроскопии молекулярного рассеяния света можно получатьинформацию о динамике молекул растворенного вещества для поглощающихрастворов, в частности для донорно-акцепторных смесей полуразбавленныхрастворов полупроводникового полимера.4Защищаемые положения1.Метод лазерной корреляционной спектроскопии молекулярного рассеяниясвета позволяет наблюдать гипердиффузионную динамику рассеивателей,сопровождаемую их баллистическим движением, в растворах, поглощающихлазерное излучение на длине волны лазерного возбуждения, при таких егомощностях,прикоторыхвизучаемомрастворенаводитсялазерно-индуцированная конвекция.2.светаМетод лазерной корреляционной спектроскопии молекулярного рассеяниядаетинформациюодинамикемолекулрастворенноговещества,поглощающего лазерное излучение на длине волны лазерного возбуждения, притаких его мощностях, при которых лазерно-индуцированная конвекция в растворене наблюдается.3.светаДанные лазерной корреляционной спектроскопии молекулярного рассеянияврастворесмесиполипарафениленвиниленовполупроводникового(MEH-PPV)сполимераорганическимизклассаакцептором(тринитрофлуоренон, TNF) указывают на агрегацию полимерных клубков вразбавленном растворе и формирование кластеров перепутанных цепей вполуразбавленном растворе этой смеси.4.Комплекс с переносом заряда, формируемый в основном электронномсостоянии между сопряжѐнными цепями полупроводникового полимера MEHPPV и органическим акцептором TNF, вызывает образование агрегатовполимерных клубков в разбавленном растворе и формирование кластеровперепутанных цепей в полуразбавленном растворе смеси MEH-PPV и TNF.5.Концентрация комплекса с переносом заряда, формируемого в основномэлектронном состоянии в растворе смеси полупроводникового полимера MEHPPV с органическим акцептором TNF, имеет пороговую зависимость отконцентрации акцептора в смеси.5Научная новизна1.Методомлазернойкорреляционнойспектроскопиимолекулярногорассеяния света впервые исследовано влияние комплекса с переносом заряда,формирующегосяврастворедонорно-акцепторнойкомпозицииполупроводникового полимера, на конформационное состояние полимера.2.Показано, что лазерно-индуцированная конвекция в растворе можетпроявляться в данных ДРС как гипердиффузионная динамика рассеивателей,сопровождаемая их баллистическим движением.3.Продемонстрировано, что метод лазерной корреляционной спектроскопиимолекулярного рассеяния света в растворах, поглощающих лазерное излучение надлиневолнывозбуждения,позволяетисследоватьдинамикумолекулрастворенного вещества при мощностях, при которых лазерно-индуцированнаяконвекция не наблюдается.4.Показано, что концентрация комплекса с переносом заряда в донорно-акцепторнойсмесиполупроводниковогоорганическим акцепторомполимераснизкомолекулярнымпороговым образом зависит от концентрацииакцептора в смеси, и рассчитана функция ассоциации комплекса с переносомзаряда в донорно-акцепторной композиции полупроводникового полимера.5.Предложена гипотеза формирования комплексов с переносом заряда вдонорно-акцепторной композиции полупроводникового полимера как процесса сположительной обратной связью.Практическая значимость1.Показано,чтометодлазернойкорреляционнойспектроскопиимолекулярного рассеяния света в растворах, поглощающих лазерное излучение надлине волны лазерного возбуждения, при мощностях, при которых лазерноиндуцированная конвекция в исследуемом растворе не наблюдается, позволяетисследовать собственную динамику молекул растворенного вещества.2.Продемонстрировано, что наблюдаемая в методе лазерной корреляционнойспектроскопии молекулярного рассеяния света гипердиффузионная динамика6рассеивателей, сопровождаемая их баллистическим движением, может бытьиспользована для изучения лазерно-индуцированной конвекции.3.Для комплексов с переносом заряда, формируемых в донорно-акцепторныхсмесях полупроводникового полимера, введена величина «функция ассоциации»,которая может быть применена для характеризации комплексов с переносомзаряда полупроводникового полимера.4.В донорно-акцепторных смесях полупроводникового полимера обнаруженэффект сильного термохромизма, который может быть использован для созданиятермохромных материалов нового типа.Апробация работыОсновныеобсуждалисьрезультатынадиссертационнойроссийскихиработымеждународныхдокладывалиськонференциях:иXVМеждународная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых«Ломоносов-2008» (Россия, Москва, 8-11 апреля 2008 года), VII Международныйсимпозиум по функциональным π-сопряжѐнным системам (Австрия, Грац, 21-25июля 2008 года), 21-й семинар по преобразованию солнечной энергииQUANTSOL 2009 (Австрия, Раурис, 7-14 марта 2009 года), Международнаяконференция по когерентной и нелинейной оптике ICONO/LAT 2010 (Россия,Казань 23-26 августа 2010 года), 18 Международная конференция по передовымлазерным технологиям ALT 2010 (Нидерланды, г.Игмонд-ан-Зии, 11-16 сентября2010).ПубликацииОсновные результаты диссертации опубликованы в 8 работах, из них 3статьи в журналах из списка ВАК России: Письма в ЖЭТФ, Physical ChemistryChemical Physics, а также 5 работ в сборниках трудов конференций.

Списокпубликаций приведен в конце автореферата.7Структура и объем диссертацииДиссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, спискалитературы. Работа содержит 148 страниц основного текста, 34 рисунка, 2таблицы, 41 формулу и 147 библиографических наименований.Личный вклад автораВсе изложенные в диссертации результаты получены автором лично илипри его непосредственном участии.