Multilayer thin films by layer-by-layer (LBL) assembly of functional polyelectrolytes

Nanoscience aims at manipulating atoms, molecules and nano-size particles in a precise and controlled manner. Nano-scale control of the thin film structures of organic/polymeric materials is a prerequisite to the fabrication of sophisticated functional devices. The work presented in this thesis is a compilation of various polymer thin films with newly synthesized functional polymers. Cationic and anionic LC amphotropic polymers, p-type and n-type semiconducting polymers with triarylamine, oxadiazole, thiadiazole and triazine moieties are suitable materials to fabricate multilayers by layer-by-layer (LBL) self-assembly with a well defined internal structure. The LBL assembly is the ideal processing technique to prepare thin polymer film composites with fine control over morphology and composition at nano-scale thickness, which may have applications in photo-detectors, light-emitting diodes (LEDs), displays and sensors, as well as in solar cells. The multilayer build-up was investigated with amphotropic LC polymers individually by solution-dipping and spin-coating methods; they showed different internal orders with respect to layering and orientation of the mesogens, as a result of the liquid crystalline phase. The synthesized p-type and n-type semiconducting polymers were examined optically and electrochemically, suggesting that they are favorably promising as hole-(p-type) or electron-(n-type) transport materials in electronic and optoelectronic devices. In addition, we report a successful film deposition of polymers by the vacuum deposition method. The vapor deposition method provides a clean environment; it is solvent free and well suited to sequential depositions in hetero-structured multilayer system. As the potential applications, the fabricated polymer thin films were used as simple electrochromic films and also used as hole transporting layers in LEDs. Electrochemical and electrochromic characterizations of assembled films reveal that the newly synthesized polymers give rise to high contrast ratio and fast switching electrochromic films. The LEDs with vacuum deposited films show dramatic improvements in device characteristics, indicating that the films are promising as hole transporting layers. These are the result of not only the thin nano-scale film structures but also the combination with the high charge carrier mobility of synthesized semiconducting polymers.

Donor–acceptor systems in the quest for organic semiconductors

Die letzten Jahrzehnte brachten eine Vielzahl neuer organischen Halbleiter hervor, welche erfolgreich als aktive Materialien in Bauteilen eingesetzt wurden, wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren (FET), organische Leuchtdioden (OLED), organischen Photovoltaikzellen (OPV) und Sensoren. Einige dieser Materialien haben, obwohl sich die Technolgie noch in der „Pubertät“ befindet, die minimalen Anforderungen für eine kommerzielle Anwendung erreicht, wobei jedoch vieles noch zu entdecken, erklären und verstehen bleibt. Diese Arbeit beschreibt das Design, die Synthese und Charakterisierung neuartiger halbleitender Polymere mit speziell eingestellten optoelektronischen Eigenschaften, welche effiziente ambipolare oder n-Leitung in OFET’s und OPV’s zeigen. Das Hauptziel wurde dadurch erreicht, dass sowohl die vorteilhaften Eigenschaften des planaren, elektronenarmen heterozyklischen Bausteines Thiadiazolo[3,4-g]quinoxalin als auch von Ethinbrücken, welche den Donor (D) und den Akzeptor (A) in einem D-A-Copolymer verbinden, durch systematische Optimierung ausgenutzt wurden. Neben synthetischen Herausforderungen werden in dieser Arbeit auch detailiiete Untersuchungen der optoelektronischen Eigenschaften der hergestellten konjugierten Polymere und Modellverbindungen dargelegt. Darüber hinaus beschreibt diese Arbeit erstmals ein Beispiel für ein Polymer, welches Dreifachbindungen im Polymerrückgrat enthält, und nahezu eine ausgeglichene ambipolare Ladungsträgerleitung in OFET’s zeigt. Zusätzlich werden gemischt-valente Phenothiazine, verbrückt mittels elektronenarmen pi-Brücken wie etwa Benzo[c][2,1,3]thiadiazol, und deren Elektronentransferprozesse, im Rahmen der Marcus-Hush-Theorie, untersucht.

Functional polymer coatings — My-Patterning and My-Analysis

In dieser Arbeit werden Strukturen beschrieben, die mit Polymeren auf Oberflächen erzeugt wurden. Die Anwendungen reichen von PMMA und PNIPAM Polymerbürsten, über die Restrukturierung von Polystyrol durch Lösemittel bis zu 3D-Strukturen, die aus PAH/ PSS Polyelektrolytmultischichten bestehen. Im ersten Teil werden Polymethylmethacrylat (PMMA) Bürsten in der ionischen Flüssigkeit 1-Butyl-3-Methylimidazolium Hexafluorophospat ([Bmim][PF6]) durch kontrollierte radikalische Polymerisation (ATRP) hergestellt. Kinetische Untersuchungen zeigten ein lineares und dichtes Bürstenwachstum mit einer Wachstumsrate von 4600 g/mol pro nm. Die durchschnittliche Pfropfdichte betrug 0.36 µmol/m2. Als Anwendung wurden Mikrotropfen bestehend aus der ionischen Flüssigkeit, Dimethylformamid und dem ATRP-Katalysator benutzt, um in einer definierten Geometrie Polymerbürsten auf Silizium aufzubringen. Auf diese Weise lässt sich eine bis zu 13 nm dicke Beschichtung erzeugen. Dieses Konzept ist durch die Verdampfung des Monomers Methylmethacrylat (MMA) limitiert. Aus einem 1 µl großen Tropfen aus ionischer Flüssigkeit und MMA (1:1) verdampft MMA innerhalb von 100 s. Daher wurde das Monomer sequentiell zugegeben. Der zweite Teil konzentriert sich auf die Strukturierung von Oberflächen mit Hilfe einer neuen Methode: Tintendruck. Ein piezoelektrisch betriebenes „Drop-on-Demand“ Drucksystem wurde verwendet, um Polystyrol mit 0,4 nl Tropfen aus Toluol zu strukturieren. Die auf diese Art und Weise gebildeten Mikrokrater können Anwendung als Mikrolinsen finden. Die Brennweite der Mikrolinsen kann über die Anzahl an Tropfen, die für die Strukturierung verwendet werden, eingestellt werden. Theoretisch und experimentell wurde die Brennweite im Bereich von 4,5 mm bis 0,21 mm ermittelt. Der zweite Strukturierungsprozess nutzt die Polyelektrolyte Polyvinylamin-Hydrochlorid (PAH) und Polystyrolsulfonat (PSS), um 3D-Strukturen wie z.B. Linien, Schachbretter, Ringe, Stapel mit einer Schicht für Schicht Methode herzustellen. Die Schichtdicke für eine Doppelschicht (DS) liegt im Bereich von 0.6 bis 1.1 nm, wenn NaCl als Elektrolyt mit einer Konzentration von 0,5 mol/l eingesetzt wird. Die Breite der Strukturen beträgt im Mittel 230 µm. Der Prozess wurde erweitert, um Nanomechanische Cantilever Sensoren (NCS) zu beschichten. Auf einem Array bestehend aus acht Cantilevern wurden je zwei Cantilever mit fünf Doppelschichten PAH/ PSS und je zwei Cantilever mit zehn Doppelschichten PAH/ PSS schnell und reproduzierbar beschichtet. Die Massenänderung für die individuellen Cantilever war 0,55 ng für fünf Doppelschichten und 1,08 ng für zehn Doppelschichten. Der daraus resultierende Sensor wurde einer Umgebung mit definierter Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die Cantilever verbiegen sich durch die Ausdehnung der Beschichtung, da Wasser in das Polymer diffundiert. Eine maximale Verbiegung von 442 nm bei 80% Luftfeuchtigkeit wurde für die mit zehn Doppelschichten beschichteten Cantilever gefunden. Dies entspricht einer Wasseraufnahme von 35%. Zusätzlich konnte aus den Verbiegungsdaten geschlossen werden, dass die Elastizität der Polyelektrolytmultischichten zunimmt, wenn das Polymer gequollen ist. Das thermische Verhalten in Wasser wurde im nächsten Teil an nanomechanischen Cantilever Sensoren, die mit Poly(N-isopropylacrylamid)bürsten (PNIPAM) und plasmapolymerisiertem N,N-Diethylacrylamid beschichtet waren, untersucht. Die Verbiegung des Cantilevers zeigte zwei Bereiche: Bei Temperaturen kleiner der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) ist die Verbiegung durch die Dehydration der Polymerschicht dominiert und bei Temperaturen größer der niedrigsten kritischen Temperatur (LCST) reagiert der Cantilever Sensor überwiegend auf Relaxationsprozesse innerhalb der kollabierten Polymerschicht. Es wurde gefunden, dass das Minimum in der differentiellen Verbiegung mit der niedrigsten kritischen Temperatur von 32°C und 44°C der ausgewählten Polymeren übereinstimmt. Im letzten Teil der Arbeit wurden µ-Reflektivitäts- und µ-GISAXS Experimente eingeführt als neue Methoden, um mikrostrukturierte Proben wie NCS oder PEM Linien mit Röntgenstreuung zu untersuchen. Die Dicke von jedem individuell mit PMMA Bürsten beschichtetem NCS ist im Bereich von 32,9 bis 35,2 nm, was mit Hilfe von µ-Reflektivitätsmessungen bestimmt wurde. Dieses Ergebnis kann mit abbildender Ellipsometrie als komplementäre Methode mit einer maximalen Abweichung von 7% bestätigt werden. Als zweites Beispiel wurde eine gedruckte Polyelektrolytmultischicht aus PAH/PSS untersucht. Die Herstellungsprozedur wurde so modifiziert, dass Goldnanopartikel in die Schichtstruktur eingebracht wurden. Durch Auswertung eines µ-GISAXS Experiments konnte der Einbau der Partikel identifiziert werden. Durch eine Anpassung mit einem Unified Fit Modell wurde herausgefunden, dass die Partikel nicht agglomeriert sind und von einer Polymermatrix umgeben sind.

The oxygen sensors FNR from Escherichia coli and NreABC from Staphylococcus carnosus

Im Laufe der Evolution entwickelte sich eine Reihe von Sauerstoff-Sensorsystemen in Bakterien, um die Genexpression der Sauerstoffverfügbarkeit anzupassen. Der Sauerstoffsensor FNR aus Escherichia coli bindet unter anaeroben Bedingungen ein [4Fe4S]2+ Zentrum. Unter Sauerstoffeinfluß zerfällt aktives [4Fe4S]2+FNR zu inaktivem [2Fe2S]2+FNR und weiter zu ebenfalls inaktivem apoFNR. In der vorliegenden Arbeit wurde der Zustand von FNR in vivo in aeroben und anaeroben Zellen von Escherichia coli aufgeklärt. Durch Alkylierung der Cysteine in FNR und anschließender Analyse im Massenspektrometer konnte gezeigt werden, das FNR in aeroben Zellen hauptsächlich in der apo-Form vorliegt. Nach ca. 6 Minuten war in lebenden E. coli Zellen die Umwandlung von [4Fe4S]2+ FNR zu apoFNR abgeschlossen.rnrnIn dem gram positiven Bakterium Staphylococcus carnosus aktiviert das NreBC System unter anaeroben Wachstumsbedingungen die Gene der Nitratatmung. NreB ist eine cytoplasmatische Sensorhistidinkinase, die ein sauerstofflabiles [4Fe4S]2+ Zentrum über eine PAS-Domäne bindet. Das [4Fe4S]2+ Zentrum wird von vier Cysteinen gebunden. Der Responsregulator NreC steuert nach Aktivierung durch NreB die Transkription der Zielgene. In der vorliegenden Arbeit wurde NreB mit Hilfe von Cysteinmarkierungen in vivo charakterisiert. Durch die Änderung der Cystein-Zugänglichkeit für Thiolreagenzien nach Sauerstoffzugabe konnte eine Halbwertszeit von ca. 3 Minuten für das [4Fe4S]2+ Zentrum in vivo bestimmt werden. In anaeroben Bakterien stellt [4Fe4S]2+NreB die Hauptform von NreB dar, während in aeroben Bakterien hauptsächlich apoNreB vorkommt. Dieses Ergebnis konnte durch Massenspektroskopie bestätigt werden. Weiterhin konnte gezeigt werden das NreA mit NreB und NreC wechselwirkt und Bestandteil des NreABC Drei-Komponentensystems ist. rn

Novel metallo-porphyrin based colourimetric amine sensors and their processing via plasma enhanced chemical vapour deposition at atmospheric pressure : synthesis, characterisation and mechanistic studies

Volatile amines are prominent indicators of food freshness, as they are produced during many microbiological food degradation processes. Monitoring and indicating the volatile amine concentration within the food package by intelligent packaging solutions might therefore be a simple yet powerful way to control food safety throughout the distribution chain.rnrnIn this context, this work aims to the formation of colourimetric amine sensing surfaces on different substrates, especially transparent PET packaging foil. The colour change of the deposited layers should ideally be discernible by the human eye to facilitate the determination by the end-user. rnrnDifferent tailored zinc(II) and chromium(III) metalloporphyrins have been used as chromophores for the colourimetric detection of volatile amines. A new concept to increase the porphyrins absorbance change upon exposure to amines is introduced. Moreover, the novel porphyrins’ processability during the deposition process is increased by their enhanced solubility in non-polar solvents.rnrnThe porphyrin chromophores have successfully been incorporated into polysiloxane matrices on different substrates via a dielectric barrier discharge enhanced chemical vapour deposition. This process allows the use of nitrogen as a cheap and abundant plasma gas, produces minor amounts of waste and by-products and can be easily introduced into (existing) roll-to-roll production lines. The formed hybrid sensing layers tightly incorporate the porphyrins and moreover form a porous structure to facilitate the amines diffusion to and interaction with the chromophores.rnrnThe work is completed with the thorough analysis of the porphyrins’ amine sensing performance in solution as well as in the hybrid coatings . To reveal the underlying interaction mechanisms, the experimental results are supported by DFT calculations. The deposited layers could be used for the detection of NEt3 concentrations below 10 ppm in the gas phase. Moreover, the coated foils have been tested in preliminary food storage experiments. rnrnThe mechanistic investigations on the interaction of amines with chromium(III) porphyrins revealed a novel pathway to the formation of chromium(IV) oxido porphyrins. This has been used for electrochemical epoxidation reactions with dioxygen as the formal terminal oxidant.rn

Plasmonic nanoparticles as sensors : a novel approach to quantify adsorption and diffusion kinetics

Biosensors find wide application in clinical diagnostics, bioprocess control and environmental monitoring. They should not only show high specificity and reproducibility but also a high sensitivity and stability of the signal. Therefore, I introduce a novel sensor technology based on plasmonic nanoparticles which overcomes both of these limitations. Plasmonic nanoparticles exhibit strong absorption and scattering in the visible and near-infrared spectral range. The plasmon resonance, the collective coherent oscillation mode of the conduction band electrons against the positively charged ionic lattice, is sensitive to the local environment of the particle. I monitor these changes in the resonance wavelength by a new dark-field spectroscopy technique. Due to a strong light source and a highly sensitive detector a temporal resolution in the microsecond regime is possible in combination with a high spectral stability. This opens a window to investigate dynamics on the molecular level and to gain knowledge about fundamental biological processes.rnFirst, I investigate adsorption at the non-equilibrium as well as at the equilibrium state. I show the temporal evolution of single adsorption events of fibrinogen on the surface of the sensor on a millisecond timescale. Fibrinogen is a blood plasma protein with a unique shape that plays a central role in blood coagulation and is always involved in cell-biomaterial interactions. Further, I monitor equilibrium coverage fluctuations of sodium dodecyl sulfate and demonstrate a new approach to quantify the characteristic rate constants which is independent of mass transfer interference and long term drifts of the measured signal. This method has been investigated theoretically by Monte-Carlo simulations but so far there has been no sensor technology with a sufficient signal-to-noise ratio.rnSecond, I apply plasmonic nanoparticles as sensors for the determination of diffusion coefficients. Thereby, the sensing volume of a single, immobilized nanorod is used as detection volume. When a diffusing particle enters the detection volume a shift in the resonance wavelength is introduced. As no labeling of the analyte is necessary the hydrodynamic radius and thus the diffusion properties are not altered and can be studied in their natural form. In comparison to the conventional Fluorescence Correlation Spectroscopy technique a volume reduction by a factor of 5000-10000 is reached.