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Molecular Dynamics Study of the Thermodynamics of Integer Charge Transfer vs Charge-Transfer Complex Formation in Doped Conjugated Polymers

材料科学 分子动力学 聚合物 掺杂剂 热力学 共轭体系 兴奋剂 化学物理 部分电荷 电荷(物理) 计算化学 化学 物理 光电子学 复合材料 量子力学
作者
Eric C. Wu,Charlene Z. Salamat,Sarah H. Tolbert,Benjamin J. Schwartz
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (23): 26988-27001 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acsami.2c06449
摘要

Molecular dopants such as 2,3,5,6-tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane (F4TCNQ) can interact with conjugated polymers such as poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT) in two different ways: they can undergo integer charge transfer (ICT) or they can form a partial-charge-transfer complex (CTC). Both are seen experimentally, but the CTC has been challenging to characterize, making it difficult to answer questions such as the following. Which polymorph is more stable? Do they have similar barriers for formation? Is there a thermodynamic route to convert one to the other? Here, we study the structure and the thermodynamics of bulk F4TCNQ-doped P3HT with all-atom molecular dynamics simulations, using thermodynamic integration to calculate the relative free energies. We find that the ICT and CTC polymorphs have similar thermodynamic stabilities. The barrier to create the ICT polymorph, however, is lower than that to make the CTC polymorph, because the ICT polymorph has a small critical nucleus, but the critical nucleus for the CTC polymorph is larger than what we can simulate. Moreover, simulated thermal annealing shows that the activation barrier for converting the CTC polymorph to the ICT polymorph is relatively modest. Overall, the simulations explain both the observed structures and the thermodynamics of F4TCNQ-doped P3HT and offer guidelines for targeting the production of a desired polymorph for different applications.
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