差不多什么样的成果,可以达到这个CNS级别,许秋自己心里基本上都是有数的,他只要不断朝着那个方向努力就行了。
得到了Y12这种材料,许秋同步开展各项表征,分析它为什么比之前的Y3材料要好。
对于材料学科来说,想要在开始实验之前,通过分子结构去预测一种材料的好坏,还是非常困难的。
比如许秋拿到手的这个Y12材料,在它成功的背后,其实有数十个失败的材料。
这些材料都是之前许秋通过预测,得出它们可能具有较高性能的材料,但实际结果却并不理想。
从某种意义上来讲,这种应用型学科,还是有些“玄学”成分在里面的,经常要讲故事给别人听。
比如拿到一个比较好的结果,再回去看它的分子结构,并结合各种表征手段,去解释这种材料为什么好,其实就是一种“玄学”。
但故事总还是得讲的。
因为当“玄学”故事讲多了,得到了大多数人的认同,并可以预测其他结构的结果时,“玄学”也就演变成为了“科学”。
为了解释器件性能提升的原因,许秋主要通过DFT模拟,光源GIWAXS,TEM透射电镜等手段,对比了Y12和Y3两个体系。
结果发现,相比于Y3,Y12主链分子结构只是进行了细微的改变,主要是侧链位置的改变,使得受体分子之间的分子堆砌做到更好,进而有利于电荷的输运。
因为Y3和Y12两者的分子结构相似,所以Y12的合成也类似于之前Y3的合成,同样需要六步反应。
第一步,双溴取代的,氮原子上带有乙基己基侧链的苯并噻二唑(BT)单元,通过硝基化反应,在苯环剩余的两个反应位点上连接两个硝基,得到得到双溴、双硝基取代的BT单元。
第二步,将双溴、双硝基取代的BT和带侧链的单三甲基锡取代的TT单元反应,得到TT-BT-TT的结构,其中BT上连接有两个硝基,TT远端有一个直链烷基侧链。
第三步,将TT-BT-TT分子中的硝基还原,并与相邻的TT单元成环,形成环状的仲胺,得到连续的稠环结构。此时,产物中存在位于TT-BT之间的仲胺,上面还有一个残留的氢原子,这是一个反应位点。
第四步,将第三步的反应物和溴代烷烃反应,用烷基取代仲胺上的氢原子,形成叔胺,实现在N原子上引入侧链的目的,得到最终的中央DAD单元。
第五步,中央DAD单元的醛基化反应,在中央DAD单元的两端连接两个醛基。
第六步,经过醛基化的DAD单元与A单元ICIN-2F进行反应,得到Y12。
许秋开始思考接下来的优化方向。
之前他基于Y3改分子结构,试了数十种方法,结果发现改动幅度越大,最终的性能就越差。
像Y11、Y12这种程度的小改反而性能得以了提升。
可能这就是大米手机,花了200W更换LOGO,结果只是“加了一行代码”,从方变圆的原因吧。
当我们去精益求精的时候,不能更改的太多,因为一旦改的太多,就会变成另外一个新的东西了。
而如果是新旧东西的性能期望是按照正态分布的话,当原先已经做到比较顶尖,那么新东西大概率会变差。
经过一番思考,许秋最终决定不对Y12“动大刀子”,也就是暂时不更改主链,主要只针对侧链、端基进行修饰。
一方面,端基是比较常规的优化方式,之前发现引入甲基、氟原子、氯原子都会对器件性能造成影响,现在Y12采用的是引入氟原子的结构,可能更换为其他端基,性能还会有所提升。
另一方面,虽然非富勒烯受体的主链是主要负责光吸收的,但侧链的重要性也非常高,因为侧链可以改变材料的溶解性、结晶性,进而改变共混薄膜形貌,对电荷输运和最终的器件性能造成影响。
同时,之前搬家的时候,虽然确认了蒸镀仪器的功能良好,但是不确定最佳的蒸镀条件有没有发生改变。
因此,许秋在离开魔都之前,也把江弯手套箱的蒸镀设备复制了一份,现在也在利用标样器件,同步摸索最优的蒸镀条件。