Interlink between processing,microstructure and mechanical properties of the semiconducting polymer D18: insights from quantitative grazing- incidence wide-angle X-ray scattering experiments

Abstract

A electrónica orgánica branda (OSE) é hoxe un motor transformador industrial e académico. Tecnoloxías como os díodos emisores de luz orgánicos (OLEDs), transistores orgánicos de efecto de campo (OFETs) e a fotovoltaica orgánica (OPVs) emerxen no mercado pola súa excepcional flexibilidade mecánica, unha fabricación simple e de baixo custo. Porén, estes dispositivos enfrontan limitacións, especialmente a inestabilidade mecánica. Abordar este desafío require pechar a fenda entre o procesado, a estrutura do polímero e as propiedades mecánicas. Aquí, establecemos unha clara relación procesado-estrutura-propiedades (P-S-P) mediante un enfoque integral de dous pasos. Primeiro, conectamos o procesado e a estrutura (P-S) optimizando descritores estruturais cuantitativos avaliados mediante dispersión de raios X de grande ángulo con incidencia rasante (GIWAXS). Como os datos brutos de GIWAXS non reflicten a fracción cristalina real, aplicamos rigorosas correccións de intensidade para cuantificar exactamente a estrutura ordenada do polímero. Posteriormente, estes descritores refinados correlaciónanse con parámetros de procesado (P-S) que xeran efectos termodinámicos e cinéticos sobre o desenvolvemento morfolóxico das capas activas. Finalmente, conectamos a estrutura cuantificada coas súas propiedades mecánicas correspondentes (S-P). Esta metodoloxía P-S-P ofrécelles aos investigadores un marco sólido para deseñar estratexicamente dispositivos OSE con propiedades altamente optimizadas.

La electrónica orgánica blanda (OSE) es hoy un motor transformador industrial y académico. Tecnologías como los diodos emisores de luz orgánicos (OLEDs), transistores orgánicos de efecto de campo (OFETs) y fotovoltaica orgánica (OPVs) emergen en el mercado por su excepcional flexibilidad mecánica, una fabricación simple y de bajo coste. Sin embargo, estos dispositivos enfrentan limitaciones, especialmente la inestabilidad mecánica. Abordar este desafío requiere cerrar la brecha entre el procesado, la estructura del polímero y las propiedades mecánicas. Aquí, establecemos una clara relación procesado-estructura-propiedades (P-S-P) mediante un enfoque integral de dos pasos. Primero, conectamos el procesado y la estructura (P-S) optimizando descriptores estructurales cuantitativos evaluados mediante dispersión de rayos X de gran ángulo con incidencia rasante (GIWAXS). Como los datos brutos de GIWAXS no reflejan la fracción cristalina real, aplicamos rigurosas correcciones de intensidad para cuantificar exactamente la estructura ordenada del polímero. Posteriormente, estos descriptores refinados se correlacionan con parámetros de procesado (P-S) que generan efectos termodinámicos y cinéticos sobre el desarrollo morfológico de las capas activas. Finalmente, conectamos la estructura cuantificada con sus propiedades mecánicas correspondientes (S-P). Esta metodología P-S-P ofrece a los investigadores un marco sólido para diseñar estratégicamente dispositivos OSE con propiedades altamente optimizadas.

Organic soft electronics currently represent a transformative driver from both industrial and academic perspectives. Technologies like Organic Light-Emitting Diodes (OLEDs), Organic Field-Effect Transistors (OFETs), and Organic Photovoltaics (OPVs) are emerging as market disruptors due to their exceptional mechanical flexibility, easy processability, and overall cost-effectiveness. However, current organic soft electronic (OSE) devices still face critical limitations, particularly a lack of mechanical stability. Addressing this challenge requires bridging the gap between processing methodologies, polymer structure, and mechanical properties. In this work, we establish a clear processing-structure-property (P-S-P) relationship using a comprehensive two-step approach. First, we connect processing and structure (P-S) by optimizing quantitative structural descriptors evaluated via Grazing-Incidence Wide-Angle X-ray Scattering (GIWAXS). Because raw GIWAXS data does not accurately reflect the true crystalline fraction, we apply rigorous intensity corrections to precisely quantify the polymer's ordered structure. These refined descriptors are then correlated with processing parameters that can have thermodynamic and kinetic effects on the active layer’s morphological development. Finally, we bridge the gap between the quantified structure and its corresponding mechanical properties (S-P). Ultimately, this P-S-P methodology provides a robust framework for materials scientists and engineers to strategically design OSE devices with highly optimized properties.