[論文レビュー] Understanding, Quantifying, and Controlling the Molecular Ordering of Semi-conducting Polymers: From Novices to Experts and Amorphous to Perfect Crystals

Zhengxing Peng, Long Ye+1 more|arXiv (Cornell University)|May 27, 2020

Machine Learning in Materials Science被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、入射角広角X線回折（GIWAXS）と差示走査量熱測定（DSC）を組み合わせることで、パラクリスタル不純度パラメータ（g）を用いた統一的で定量的なフレームワークを提案し、半導体ポリマーにおける分子配列の分類を実現する。アモルファスから完全な結晶までの4つの明確なカテゴリーを導入することで、正確な用語の使用を可能にし、電子的特性が最適化されたポリマー半導体の合理的設計を支援する。

ABSTRACT

Molecular packing, crystallinity, and texture of semiconducting polymers are often critical to performance. Although frame-works exist to quantify the ordering, interpretations are often just qualitative, resulting in imprecise and liberal use of terminology. Here, we reemphasize the continuity of the degree of molecular ordering and advocate that a more nuanced and consistent terminology is used with regards to crystallinity, semicyrstallinity, paracrystallinity, crystallite/aggregate, and related characteristics. We are motivated in part by our own imprecise and inconsistent use of terminology and the need to have a primer or tutorial reference to teach new group members. We show that a deeper understanding can be achieved by combining grazing-incidence wide-angle X-ray scattering and differential scanning calorimetry. We classify a broad range of representative polymers into four proposed categories based on the quantitative analysis of molecular order based on the paracrystalline disorder parameter (g). A small database is presented for over 10 representative conjugated and insulating polymers ranging from amorphous to semicrystalline. Finally, we outline the challenges to rationally design perfect polymer crystals and propose a new molecular design approach that envisions conceptual molecular grafting that is akin to strained and unstrained hetero-epitaxy in classic (compound) semiconductors thin film growth.

研究の動機と目的

• 半導体ポリマーにおける分子配列を記述する用語の不一致で不正確な使用を是正すること。
• パラクリスタル不純度パラメータ（g）に基づく、連続的で定量的な分子配列スケールの確立。
• ポリマー半導体分野の新規研究者を対象としたチュートリアル的リファレンスの提供。
• 代表的なπ共役性および絶縁性ポリマーを、4つの明確な配列カテゴリーに分類すること。
• 完全なポリマー結晶を達成するための分子設計戦略の概説と、無機半導体におけるエpitaxial成長にインspiredした挑戦の特定。

提案手法

• ナノスケールでの分子パッケージングと結晶性を調べるため、入射角広角X線回折（GIWAXS）を用いる。
• 熱的転移と結晶分率を測定するため、差示走査量熱測定（DSC）を用いる。
• 結晶領域内の構造的不純度の度合いを定量化するため、パラクリスタル不純度パラメータ（g）を計算する。
• g値に基づき、アモルファス、パラクリスタル、準結晶性、およびほぼ完全な結晶の4つのカテゴリーにポリマーを分類する。
• 測定済みのg値と熱的特性を有する10種類以上の代表的ポリマーからなる小規模な代表的データベースを構築する。
• 無機半導体における歪みあり・なしヘテロエpitaxial成長にインspiredした概念的分子グラフト化アプローチを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 半導体ポリマーにおける分子配列を、アモルファスから完全な結晶までの全範囲にわたり定量的に分類するにはどうすればよいか？
• RQ2 パラクリスタル不純度パラメータ（g）は、結晶性や構造的秩序の異なるレベルを区別するために果たす役割は何か？
• RQ3 GIWAXSとDSCを組み合わせることで、分子配列のより正確で一貫性のある評価をどのように実現できるか？
• RQ4 ほぼ完全な結晶的秩序を有する半導体ポリマーを合理的に設計するにあたり、主な課題は何か？
• RQ5 無機半導体におけるエpitaxial成長にインspiredした分子設計原則を、高品質なポリマ結晶の達成に適応できるか？

主な発見

• パラクリスタル不純度パラメータ（g）は、連続的なスケールで分子配列を定量的に評価でき、ポリマーの正確な分類を可能にした。
• 10種類以上の代表的π共有性および絶縁性ポリマーが、g値に基づき4つの明確なカテゴリー（アモルファス、パラクリスタル、準結晶性、ほぼ完全な結晶）に分類された。
• g値とDSCで測定された熱的転移との間に強い相関が観察され、定量的アプローチの妥当性が裏付けられた。
• 本研究では、既存の文献における用語使用がしばしば不正確であり、ポリマー微細構造の解釈に一貫性の欠如をもたらしていることが明らかになった。
• 提案されたフレームワークにより、新規研究者の教育と分野内でのコミュニケーションの質の向上を可能にする体系的で再現可能な手法が実現された。
• 無機半導体におけるヘテロエpitaxial成長に類似した概念的分子設計戦略が提唱され、高品質なポリマ結晶の合成を支援するものとなった。