Extended donor and acceptor molecules for organic electronics

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

2,3-Dichloro-1,4-hydroquinone 2,3-dichloro-1,4-benzoquinone monohydrate: a quinhydrone-type 1:1 donor-acceptor [D-A] charge-transfer complex

In the crystal structure of the title compound (systematic name: 2,3-dichlorobenzene-1,4-diol 2,3-dichlorocyclohexa-2,5-diene-1,4-dione monohydrate), C(6)H(4)Cl(2)O(2)center dot C(6)H(2)Cl(2)O(2)center dot H(2)O, the 2,3-dichloro-1,4-hydroquinone donor (D) and the 2,3-dichloro-1,4-benzoquinone acceptor (A) molecules form alternating stacks along [100]. Their molecular planes [maximum deviations for non-H atoms: 0.0133 (14) (D) and 0.0763 (14) angstrom (A)] are inclined to one another by 1.45 (3)degrees and are thus almost parallel. There are pi-pi interactions involving the D and A molecules, with centroid-centroid distances of 3.5043 (9) and 3.9548 (9) angstrom. Intermolecular O-H center dot center dot center dot O hydrogen bonds involving the water molecule and the hydroxy and ketone groups lead to the formation of two-dimensional networks lying parallel to (001). These networks are linked by C-H center dot center dot center dot O interactions, forming a three-dimensional structure.

Targeting p-Conjugated Multiple Donor-Acceptor Motifs Exemplified by Tetrathiafulvalene-Linked Quinoxalines and Tetrabenz bc,ef,hi,uv ovalenes: Synthesis, Spectroscopic, Electrochemical, and Theoretical Characterization

An efficient synthetic approach to a symmetrically functionalized tetrathiafulvalene (TTF) derivative with two diamine moieties, 2-[5,6-diamino-4,7-bis(4-pentylphenoxy)-1,3-benzodithiol-2-ylidene]-4,7- bis(4-pentylphenoxy)-1,3-benzodithiole-5,6-diamine (2), is reported. The subsequent Schiff-base reactions of 2 afford large p-conjugated multiple donoracceptor (DA) arrays, for example, the triad 2-[4,9-bis(4-pentylphenoxy)-1,3-dithiolo[4,5-g]quinoxalin-2-ylidene]-4,9 -bis(4-pentylphenoxy)-1,3-dithiolo[4,5-g]quinoxaline (8) and the corresponding tetrabenz[bc,ef,hi,uv]ovalene-fused pentad 1, in good yields and high purity. The novel redox-active nanographene 1 is so far the largest known TTF-functionalized polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) with a well-resolved 1H NMR spectrum. The electrochemically highly amphoteric pentad 1 and triad 8 exhibit various electronically excited charge-transfer states in different oxidation states, thus leading to intense optical intramolecular charge-transfer (ICT) absorbances over a wide spectral range. The chemical and electrochemical oxidations of 1 result in an unprecedented TTF+ radical cation dimerization, thereby leading to the formation of [1+]2 at room temperature in solution due to the stabilizing effect, which arises from strong pp interactions. Moreover, ICT fluorescence is observed with large solvent-dependent Stokes shifts and quantum efficiencies of 0.05 for 1 and 0.035 for 8 in dichloromethane.

Effect of the Addition of a Fused Donor-Acceptor Ligand on a Ru(II) Complex: Synthesis, Characterization, and Photoinduced Electron Transfer Reactions of Ru(TTF-dppz)(2)(Aqphen) (2+)

The synthesis and the photophysical properties of the complex [Ru(TTF-dppz)(2)(Aqphen)](2+) (TTF = tetrathiafulvalene, dppz = dipyrido-[3,2-a:2',3'-c]phenazine, Aqphen = anthraquinone fused to phenanthroline via a pyrazine bridge) are described. In this molecular triad excitation into the metal ligand charge transfer bands results in the creation of a long-lived charge separated state with TTF acting as electron donor and anthraquinone as terminal acceptor. The lifetime of the charge-separated state is 400 ns in dichloromethane at room temperature. A mechanism for the charge separation involving an intermediate charge-separated state is proposed based on transient absorption spectroscopy.

A Donor-Acceptor Tetrathiafulvalene Ligand Complexed to Iron(II): Synthesis, Electrochemistry, and Spectroscopy of Fe(phen)(2)(TTF-dppz)(PF6)(2)

The synthesis and photophysical properties of the complex Fe(phen)(2)(TTF-dppz)(2+) (TTF-dppz = 4',5'-bis-(propylthio)tetrathiafulvenylidipyrido3,2-a:2',3'-c-phenazine, phen = 1,10-phenanthroline) are described. In this complex, excitation into the metal ligand charge transfer bands results in the population of a high-spin state of iron(II), with a decay lifetime of approximately 1.5 ns, in dichloromethane, at room temperature. An intraligand charge transfer state can also be obtained and has a lifetime of 38 ps. A mechanism for the different states reached is proposed based on transient absorption spectroscopy.

Probing Charge Transfer in Benzodifuran-C-60 Dumbbell-Type Electron Donor-Acceptor Conjugates: Ground- and Excited-State Assays

Rigid electron donor-acceptor conjugates (1-3) that combine -extended benzodifurans as electron donors and C-60 molecules as electron acceptors with different linkers have been synthesized and investigated with respect to intramolecular charge-transfer events. Electrochemistry, fluorescence, and transient absorption measurements revealed tunable and structure-dependent charge-transfer processes in the ground and excited states. Our experimental findings are underpinned by density-functional theory calculations.

Photo-induced intramolecular charge transfer in an ambipolar field-effect transistor based on a pi-conjugated donor-acceptor dyad

A pi-conjugated tetrathiafulvalene-fused perylenediimide (TTF-PDI) molecular dyad is successfully used as a solution-processed active material for light sensitive ambipolar field-effect transistors with balanced hole and electron mobilities. The photo-response of the TTF-PDI dyad resembles its absorption profile. Wavelength-dependent photoconductivity measurements reveal an important photo-response at an energy corresponding to a PDI-localized electronic pi-pi* transition and also a more moderate effect due to an intramolecular charge transfer from the HOMO localized on the TTF unit to the LUMO localized on the PDI moiety. This work clearly elucidates the interplay between intra- and intermolecular electronic processes in organic devices.