Nanographene als funktionale Materialien und synthetische Herausforderung

Im Rahmen dieser Arbeit wurden neuartige funktionale Nanographene synthetisiert und hinsichtlich ihrer strukturellen und elektronischen Eigenschaften charakterisiert. Basierend auf dem Strukturmotiv des Graphens konnten anellierte polyzyklische aromatische Kohlenwasserstoffe (PAKs) mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen strukturdefiniert erhalten und gezielt in der Peripherie funktionalisiert werden. Basierend auf dem Synthesekonzept einer „Vorplanarisierung“ konnten Nanographen-Scheiben mit einem Durchmesser von bis zu 3 nm in hoher Reinheit erhalten werden. Durch die Entwicklung von Polyphenylen-Vorläufern mit einem gewinkelten Rückgrat konnten erstmals defektfreie und lösliche Nanographen-Streifen (GNRs) mit Breiten von 1,0 - 2,1 nm und Längen von über 40 nm synthetisiert werden.rnrnAm Hexa-peri-hexabenzocoronen (HBC) war es möglich, durch die Einführung kurzer linearer Alkylreste in der Peripherie den inter- und intrakolumnaren Abstand nach Selbstorganisation zu reduzieren. In Mischungen mit Perylentetracarboxydiimid (PDI) als Akzeptor konnte durch eine erhöhte Dichte und eine verbesserte Ladungsträgermobilität eine relative Steigerung der Effizienz von Donor-Akzeptor-Heteroübergangs-Solarzellen um 9 % erreicht werden. Eine kovalente Verknüpfung von HBC und PDI erlaubte hier die vollständige Kontrolle der supramolekularen Organisation, des Phasenverhaltens sowie des Abstandes zwischen Donor und Akzeptor.rnrnBasierend auf den im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Synthesekonzepten, eröffnen sich nun zahlreiche Möglichkeiten zur Entwicklung weiterer Nanographene, die entsprechend der gewünschten Anwendung funktionalisiert werden können und ein besseres Verständnis der Eigenschaften graphenartiger Materialien erlauben werden.

Novel functional nanographenes have been synthesized and characterized regarding their structural and electronic properties. Based on the structural motif of graphene, well-defined fully annulated polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) with different aspect ratios have been obtained and functionalized in the periphery. Based on the concept of “pre-planarization” nanographene discs with diameters of up to 3 nm could be synthesized with high purity. By employing novel precursors with a kinked (zig-zag) backbone, it was possible for the first time to prepare defect-free and soluble graphene nanoribbons (GNRs) of 1.0 - 2.1 nm width and lengths of up to 40 nm.rnrnFor hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) it was possible to reduce inter- and intracolumnar distances after self-assembly by introducing short linear alkyl chains in the periphery. This resulted in increased charge-carrier mobilities and a more dense packing, improving the performance of bulk heterojunction solar cells that contained blends of HBC and perylene tetracarboxydiimide (PDI). Covalently linked dyads of HBC and PDI allowed an improved control over the supramolecular organization, resulting in well-ordered structures with defined distances between donor and acceptor moieties.rnrnBased on the synthetic concepts that were developed, a large variety of nanographenes with tailored properties becomes accessible. This will allow for a more detailed understanding of graphene-type materials.