用同步辐射二维掠入射X射线衍射实时表征共轭聚合物薄膜微结构变化的测试平台的搭建与相关方法学研究

The study of mechanism of thermal annealing/solvent vapor annealing, which is an efficient method to control the microstructure of conjugated polymer thin film, is very important because of the huge influence of such microstructure on the performance of related electro-optic devices. However the corresponding in-suit characterization system and related methodology study are still unavailable. In this project we will set up an in-suit characterization system of microstructure of conjugated polymer thin films using synchrotron 2D grazing incident X-ray diffraction. Related measurement and analysis method will be also studied. After the set up, such system will be used to study the mechanism of annealing of conjugated polymer thin film, from which the new method and idea of controlling the microstructure will be achieved.

薄膜微结构对基于共轭聚合物的有机光电转换器件的器件性能有很大的影响，因此研究退火（包括热退火和溶剂蒸汽熏蒸退火）这种薄膜微结构的有效的调控方法的机理十分重要。但是目前相应的原位测试平台与相关方法学研究还是空白，因此本项目拟在上海同步辐射光源衍射站搭建一套适用于共轭聚合物薄膜退火过程中微结构实时表征的二维掠入射X射线衍射测试平台，建立相关的测试与分析方法，并用这套平台初步研究共轭聚合物薄膜退火过程中微结构的变化机理，为薄膜微结构的调控提供新的方法与思路。

随着同步辐射实验技术的深入以及相关有机光电材料与器件研究中的原位表征需求的出现，迫切需要在同步辐射装置已有的二维掠入射X射线衍射测试系统基础上添加原位热退火以及溶剂蒸气退火附件来实现实时原位表征并对有机半导体薄膜在退火过程中的机理进行深入的研究。我们在本项目的支持下基本按照计划完成了这些工作，具体如下：. 我们搭建了快速辅助对准系统并建立了相关操作流程，实现了秒级的自动对准。我们还添加了飞行通道等附件来提高二维掠入射X射线衍射图的信噪比。我们研制了原位热台与原位溶剂蒸气退火装置，实现了原位二维掠入射X射线衍射。我们还设计制作了新2DGIXRD数据处理软件，可以将原始数据很方便地转换成文章所需要的q空间图像，还添加了背景扣除功能，进一步提高了测试数据的信噪比。. 我们使用原位热台表征了一系列共轭聚合物薄膜的原位热退火过程中的微结构变化并探索了其结晶结构转变机理。发现在热退火过程中均聚的共轭聚合物的主链与侧链的活跃运动时间不同，在常温到60oC~90oC的温度范围内主要是侧链运动为主，以上则是主链与侧链一起运动。对于共轭聚合物共混物或者嵌段共聚物，我们还利用了不同组分熔融温度不同以及初始溶剂诱导的取向差别成功的通过精确温度控制得到了多种可控取向薄膜。. 我们使用原位溶剂蒸汽退火台表征了不同共轭聚合物薄膜的原位溶剂蒸汽退火过程的微结构变化并探索了其结晶结构的转变机理。发现在溶剂蒸汽退火过程中存在着晶体溶胀溶解与重结晶的竞争关系，退火后结晶度的增加本质上是来源于这个竞争过程中的分子链堆砌的有效重整。.