Authors:	Rieger, Ralph
Title:	Extended donor and acceptor molecules for organic electronics
Online publication date:	12-Apr-2010
Year of first publication:	2010
Language:	german
Abstract:	Die Untersuchung von halbleitenden Materialien auf der Basis von organischen Molekülen stellt ein Gebiet der angewandten Forschung an der Schwelle zur industriellen Nutzung dar. Geringes Gewicht und hohe mechanische Flexibilität ermöglichen völlig neue Produkte, die mit anorganischen Halbleitern nicht zu realisieren sind. Die Herstellung von Bauteilen wie Transistoren, Solarzellen oder Leuchtdioden aus organischen Materialien ist ein komplexes Gebiet, das einer Vielzahl von unterschiedlichen Optimierungen bedarf, um eine konkurrenzfähige Leistung zu erreichen. Die synthetische organische Chemie bietet vielfältige Möglichkeiten, mit maßgeschneiderten Lösungen zum Optimierungsprozess beizutragen. Zum einen können neue aktive Materialien hergestellt werden mit besserer Leistung und leichterer Verarbeitbarkeit. Zum anderen sind Substanzen zugänglich, die z.B. bei der Ladungsträgerinjektion hilfreich sein können.rnIn dieser Arbeit wurde an beiden dieser Fronten gearbeitet. Dabei lag die Entwicklungsstrategie darin, ausgedehnte π-konjugierte Moleküle herzustellen, die entweder besonders elektronenarme Akzeptoren oder elektronenreiche Donoren darstellen. Die genaue Kontrolle der elektronischen Niveaus stellt einen wichtigen Bestandteil dar, um niedrige elektrische Kontaktbarrieren zu Metallen zu erreichen und ausreichend stabile Materialien zu erreichen.rnDer erste Fokus der Arbeiten lag in der Funktionalisierung von Coronen. Dieser PAH stellt einen guten Kompromiss bezüglich seiner Größe dar: Er ist groß genug, um Diffusion in andere Schichten von Bauteilen zu vermeiden, aber nicht zu groß, um Verarbeitung durch Vakuumsublimation zu ermöglichen. Bislang sind praktisch keine Coronen-Derivate in der Literatur beschrieben, weshalb eine neue Synthese entwickelt werden musste, die die Einführung starker Donor- und Akzeptorfunktionalitäten erlaubt. Die photochemische Cyclodehydrierung von substituierten [2.2.2]paracyclophan-trienen stellte sich als hervorragende Möglichkeit heraus, dies zu bewerkstelligen. Es wurde eine Reihe von methoxy-substitutierten Coronenen mit unterschiedlicher Symmetrie hergestellt. Mittels optischer Spektroskopie konnte gezeigt werden, dass Methoxygruppen wenig Einfluss auf die elektronischen Eigenschaften von Coronen haben. Unter Spaltung der Methylether und anschließender Oxidation allerdings sind Coronenketone zugänglich, welche bis zu drei α-Diketongruppen besitzen. Diese Moleküle sind enorm starke Akzeptoren, was durch Cyclovoltammetrie und Vergleich zu anderen Akzeptoren eindrucksvoll gezeigt werden konnte. Die Sublimation dieses Akzeptors auf die Oberfläche von Metallen zeigt einen dramatischen Einfluss auf die Austrittsarbeit dieses Metalls, was zur Herstellung eines ohmschen Kontakts zu organischen Halbleitern von außerordentlichem Nutzen ist. rnDen zweiten Teil der Arbeit bilden Benzodithiophen enthaltende Polymere, die für den Einsatz als aktive Komponente in elektronischen Bauteilen entwickelt wurden. Nach systematischer Strukturoptimierung wurde ein Polymer enthalten, welches in einem Feldeffekt-Transistor auf Standard-Silizium-Substraten Ladungsträger-Mobilitäten über 0,1 cm2/Vs erreicht mit großer Reproduzierbarkeit und ausgezeichneter Transistor-Charakteristik. Es konnte gezeigt werden, dass die durch die Monomergeometrie erzeugte Kurvung des Polymers zu einem optimalen Kompromiss aus Löslichkeit und effektiver Packung darstellt. Auf für industrielle Anwendungen besonders interessanten polymer-basierten Substraten wurde eine noch erheblich bessere Leistung gezeigt. Auf einem PET-Substrat wurden Feldeffekt-Mobilitäten von 0,5 cm2/Vs gemessen mit überzeugenden Reproduzierbarkeit und Stabilität.rnDamit konnte in der Arbeit ein bedeutender Beitrag zur Weiterentwicklung von Materialien für den Einsatz in elektronischen Bauteilen geleistet werden. Die Substanzen versprechen noch erhebliches Potenzial nach intensiver Optimierung und wurden deshalb zum Patent angemeldet.rn The investigation of semiconducting materials based on organic materials represents a research topic on the edge to industrial applications. Low weight and high mechanical flexibility enable new products which cannot be realized using inorganic semiconductors. The fabrication of devices like transistors, solar cells, or light-emitting diodes from organic materials is a complex endeavor which requires a variety of different optimizations to reach the desired performance. Synthetic organic chemistry offers a wide spectrum of possibilities to contribute to this process with tailor-made solutions. On the one hand, new materials can be synthesized with increased performance and easier processability. On the other hand, substances are accessible which can help charge injection in devices.rnIn this thesis progress on both frontlines has been achieved. The strategy followed is based on the development of extended π-conjugated molecules with either an electron deficiency or an electron excess. The exact control of the electronic levels is crucial to obtain low contact barriers to metal electrodes and materials of high stability. rnThe first focus of the thesis was on the functionalization of coronene. This PAH represents a good compromise with regard to the size: it is big enough to avoid diffusion in different layers of a device, but not too big to still be sublimable. Up to now, there are hardly any syntheses for coronene derivatives described in the literature, such that a new synthesis had to be developed which allows the introduction of strong donor and acceptor functionalities. The photochemical cyclodehydrogenation of substituted [2.2.2]paracyclophane-triene turned out to be a highly efficient method to reach this goal. A series of methoxy-substituted coronenes of different symmetry was made. Via optical spectroscopy, it could be shown that the electronic effect of methoxy groups on coronene is low. By ether cleavage and oxidative workup, coronenketones are accessible which bear up to three α-diketone moieties. These molecules are enormously strong acceptors, revealed impressively by cyclic voltammetry. The sublimation of this acceptor on the surface of metals shows a dramatic effect on the work function of metals which is very favorable with regard to making ohmic contacts to organic semiconductors.rnThe second part of the thesis is about benzodithiophene containing polymer for the use as active materials in electronic devices. After systematic structure optimization, a polymer was obtained which reaches field-effect mobilities in a standard silicon substrate setup in excess of 0.1 cm2/Vs with high reproducibility and excellent device characteristics. It could be shown that the monomer geometry which induces a curved polymer backbone yields the ideal compromise between solubility and efficient packing behavior of the polymer. On polymer-based substrates which are more interesting for industrial applications, field-effect mobilities of 0.5 cm2/Vs could be measured with convincing reproducibility and stability.rnIn summary, in this thesis a significant contribution to the development of better materials for the use in organic electronic devices war made. The substances are expected to possess enormous potential after further optimizations. That is why they have been patented for later commercial use.rn
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2250
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-22370
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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