共役ポリマー薄膜の機械的および立体構造特性の分子動力学研究

共役ポリマー（CP）薄膜の機械的および立体構造特性の理解と予測は、柔軟な電子機器研究の中心的な焦点です。エネルギーロノマル化アプローチを使用して開発されたPoly（3-アルキルチオフェン）S（P3AT）の構造伝達可能な化学特異的粗粒（CG）モデルで分子動力学シミュレーションを使用すると、P3AT薄膜の機械的および適合挙動を調査します。変形中。密度プロファイルとローカルモビリティの測定は、すべてのフィルムの柔らかい界面層を識別します。その厚さは、M Wまたは側鎖長に依存しません。驚くべきことに、ナノインデンテーションを介して測定されたヤング率は、引張試験よりもM wに対してより敏感であり、これは明確な変形メカニズムに起因します。高m w薄膜は靭性の増加を示しますが、P3ATのサイドチェーンの長さが長くなると、ヤング率が低くなりました。低m w薄膜の骨折は、プラスチック領域での鎖の絡み合いと狂った鎖が不十分なため、チェーンの引き抜きによって発生します。重要なことに、ストレッチはP3ATのチェーンアライメントとより長い共役長さの両方を促進し、その電子特性を潜在的に強化する可能性があります。たとえば、室温では、P3HT薄膜を150％まで伸ばすと、2.7 nmから4.7 nmのp3HT薄膜の共役長さが増加し、以前の実験所見と全原子シミュレーション結果と並んでいます。さらに、高m w薄膜は、インデンタに鎖が蓄積するため、摩擦力の上昇を示し、すべての薄膜システムにわたって摩擦係数が無視できるようになります。これらの調査結果は、私たちの理解を高め、柔軟な電子機器におけるCP薄膜の合理的な設計を導く貴重な洞察を提供します。

Understanding and predicting the mechanical and conformational properties of conjugated polymer (CP) thin films are a central focus in flexible electronic device research. Employing molecular dynamics simulations with an architecture-transferable chemistry-specific coarse-grained (CG) model of poly(3-alkylthiophene)s (P3ATs), developed by using an energy renormalization approach, we investigate the mechanical and conformational behavior of P3AT thin films during deformation. The density profiles and measures of local mobility identify a softer interfacial layer for all films, the thickness of which does not depend on M w or side-chain length. Remarkably, Young's modulus measured via nanoindentation is more sensitive to M w than for tensile tests, which we attribute to distinct deformation mechanisms. High-M w thin films show increased toughness, whereas longer side-chain lengths of P3AT resulted in lower Young's modulus. Fractures in low-M w thin films occur through chain pullout due to insufficient chain entanglement and crazing in the plastic region. Importantly, stretching promoted both chain alignment and longer conjugation lengths of P3AT, potentially enhancing its electronic properties. For instance, at room temperature, stretching P3HT thin films to 150% increases the conjugated length of P3HT thin films from 2.7 nm to 4.7 nm, aligning with previous experimental findings and all-atom simulation results. Furthermore, high-M w thin films display elevated friction forces due to the chain accumulation on the indenter, with negligible variations in the friction coefficient across all thin film systems. These findings offer valuable insights that enhance our understanding and guide the rational design of CP thin films in flexible electronics.