碳纳米材料与共轭聚合物界面、及界面作用对界面间光物理过程的影响

In recent years, carbon nanomaterials (carbon nanotubes and graphene) have attracted enormous attention of scientists in the study of optoelectronic materials. Because of the various properties (structural defects and chemical modification) of the surfaces of carbon nanomaterials, it is still a challenge to clearly understand the interfaces and the corresponding process between the carbon nanomaterials and conjugated polymers. In this proposal, our research will be focused on the interfaces of carbon nanomaterials and conjugated polymers. Surface properties of carbon nanomaterials will be modified by controlling the structural defects and chemical functionalization, leading to modulation of the interfacial interactions between the carbon nanomaterials and conjugated polymers. Furthermore, in order to explore how the interfacial interactions work, the impact of surface properties of carbon nanomaterial substrates on the morphology and structures of conjugated polymer films, as well as the impact of surface properties of carbon nanomaterials on the morphology and structures of composite films, will be studied. Finally, we are aimed to find the relationship between surface properties of carbon nanomaterials, interfacial interactions between carbon nanomaterials and conjugated polymers, and photophysics, by delicate characterization of the photo-physical processes at the interfaces. We expect that the research of this project will pave an avenue for carbon nanomaterials as acceptor in application of optoelectronic materials.

近年来，碳纳米材料（碳纳米管和石墨烯）在光电转换材料中的研究受到了人们的广泛关注，由于碳纳米材料表面性质（结构缺陷和化学修饰）的多样性，使得人们对其与共轭聚合物的界面性质及过程的了解还不深入。在本项目中，我们的研究工作将着眼于碳纳米材料和共轭聚合物的界面。通过碳纳米材料表面结构缺陷的控制、化学修饰，达到调节其与共轭聚合物之间相互作用的目的。通过研究不同表面功能性的碳纳米材料薄膜基底对共轭聚合物薄膜形态结构的影响、不同表面性质的碳纳米材料对其与共轭聚合物复合物薄膜形态结构的影响，揭示界面之间相互作用的表现形式。通过对界面间光物理过程的表征，最终建立起碳纳米材料表面性质－界面作用－界面间光物理过程之间的联系。本研究项目的实施将为碳纳米材料作为电子受体在光电转换材料中的应用奠定基础。

碳纳米材料（碳纳米管和石墨烯）具有独特的结构和优异的力学、电子和热稳定性，引起了科学家的广泛关注。但是，碳纳米材料之间的范德瓦尔斯力和PI-PI堆积作用导致其分散性差，限制了它们的应用。表面功能化，不仅可以提高碳纳米管在溶剂中的分散性，而且还赋予了它们新的理化性质。共轭聚合物具有可调控的带隙、良好的溶液加工性和高的载流子迁移率，被广泛地用来和碳纳米材料制备复合材料。共轭聚合物和碳纳米材料构成电子给体-受体复合物，在聚合物光电领域具有重要的应用前景，这一复合物中，两组分间的界面性质是影响复合物中界面光物理过程的关键因素，因此，本研究课题开展了碳纳米材料/共轭聚合物界面性质及光物理性质的研究。..在这一工作中，我们采用了三种不同的方式制备碳纳米材料/聚（3-己基噻吩）（P3HT）的复合物材料，分别是基于P3HT链反应的“硅烷化-点击反应”和酰胺化反应（Chem. Sci. 2014, 5, 3130；Chem. Commun. 2014, 50, 14345）及基于KCTP过程的表面引发聚合反应（SI-KCTP）（ACS Nano 2016, 10, 5189）。研究发现，SI-KCTP过程可以得到更高的接枝密度，在碳纳米材料表面形成均匀致密的P3HT层，光致激发（PL）光谱和瞬态吸收光谱证明了由P3HT向碳纳米材料的光诱导的电子转移，以P3HT接枝的多壁碳管（MWNTs）表现出灵敏的光响应。另外，我们还发现，接枝在石墨烯片层表面的P3HT链和石墨烯片层共轭结构之间的耦合作用使得石墨烯的PL发射峰的强度增加，且峰位发生蓝移，和P3HT的发射峰一起构成双PL发射。P3HT和石墨烯片层之间的光致电子转移还导致石墨烯材料光热效应的显著提高。