Hierarchical Self-Assembly of P3HT-b-PEG and Nanoparticles at the Air-Water Interface

Abstract

Poly (3-hexylthiophene) (P3HT) is an extensively utilized conjugated polymer. Because of its conjugated system, P3HT is electrically conductive. Also, P3HT tends to crystalize into nanowires by π-π stacking among P3HT. However, P3HT nanowires can be aggregated because of its strong hydrophobic interaction when it comes to Air-Liquid Interfacial Self-Assembly (ALISA). Therefore, we introduced poly (ethylene glycol) (PEG) to P3HT and synthesized P3HT-b-PEG block copolymer to induce a well-aligned P3HT nanowires. P3HT-b-PEG block copolymer was synthesized by the copper(Ι)-catalyzed alkyne-azide cycloaddition (CuAAC) click reaction between P3HT-ethynyl and PEG-azide. P3HT-b-PEG block copolymer can be self-assembled at the air-water interface by ALISA and we found the possibility that self-assembled film composed of P3HT nanowires can be utilized as an electrical channel of field effect transistor (FET). To increase the conductivity of the self-assembled films, we mixed various types of nanoparticles (NPs) with P3HT-b-PEG block copolymer (BCP). We used gold nanoparticles, quantum rods and quantum dots and compared the photocurrents and the photoresponses of BCP and BCP/NPs hybrid films respectively. Also, we investigated the appearance of binary self-assembled film as a function of time to found how binary ALISA is accomplished. Furthermore, we applied a curvature to the surface of the water to produce a large area of well-aligned nanoarrays and to enhance the conductivity of a self-assembled film. Finally, we synthesized P3HT-b-PEG-b-P3HT to increase a fraction of P3HT and conductivity of a self-assembled film. The morphology of a self-assembled triblock copolymer was similar to that of diblock copolymer. The film was composed of P3HT nanowires.;Poly (3-hexylthiophene) (P3HT)는 현재 광범위하게 연구되고 있는 공액 고분자로써 전도성을 띤다는 것이 가장 큰 특징이다. 또, P3HT 간의 π-π stacking으로 인하여 나노와이어 형태로 결정화 하려는 경향성을 갖고 있다. 하지만 P3HT만을 유체 계면에서 자기 조립 시킬 경우, P3HT 간의 π-π stacking으로 인해 대면적으로 잘 정렬된 나노와이어 형태를 갖기 어렵기 때문에 친수성을 갖고 있는 PEG 고분자를 도입하였고 P3HT-ethynyl과 PEG-azide 간의 클릭 반응을 통하여 P3HT, PEG 공액 고분자를 합성한 후 유체 계면에서 자기 조립 시켰다. 그 결과, 수면 위에 P3HT 나노와이어들로 구성된 필름이 생성되었으며 이 필름은 향후 전기장효과트랜지스터의 채널에 활용될 수 있다. 본 연구에서는, 유체 계면에 생성된 필름의 전도성 및 기능성을 더욱 증가시키기 위해 다양한 나노 입자를 P3HT-b-PEG 고분자와 섞었으며 실험에는 금 나노입자, 퀀텀 라드 그리고 퀀텀 닷을 각각 사용하였다. 퀀텀 라드와 퀀텀 닷은 P3HT와 p-n접합을 이룰 수 있기 때문에 전기적 성질이 더욱 향상할 것이라 예상했다. 그리고 표면 플라즈몬 공명 성질을 갖는 금 나노 입자로 인해 P3HT가 더 많은 빛을 흡수할 수 있기 때문에 전기적 성질이 증가할 것이라 예측하였다. 실제 실험을 진행한 결과 전기적 성질이 더욱 향상되는 것을 확인할 수 있었다. 그리고 P3HT-b-PEG 고분자와 나노 입자로 이루어진 혼성 박막의 형성 과정을 알아보기 위해 시간에 따라 수면 위에 형성된 혼성 박막을 투과전자현미경으로 관찰하여 알아보았다. 또한, 수면 위에 곡률을 도입함으로써 P3HT 나노와이어 방향을 한 방향으로 통일시켰고 이를 통해 대면적으로 정렬된 나노어레이를 만들 수 있었다. 마지막으로, P3HT-ethynyl과 PEG-diazide간의 두 번의 클릭 반응을 통해 P3HT-b-PEG-b-P3HT을 합성해냈고 이 고분자를 유체 계면에 자기 조립 시킨 결과 수면 위에 P3HT 나노와이어들로 구성된 필름이 형성되었음을 확인했다.