Use of side-chain for rational design of n-type diketopyrrolopyrrole-based conjugated polymers: what did we find out?

The primary role of substituted side chains in organic semiconductors is to increase their solubility in common organic solvents. In the recent past, many literature reports have suggested that the side chains play a critical role in molecular packing and strongly impact the charge transport properties of conjugated polymers. In this work, we have investigated the influence of side-chains on the charge transport behavior of a novel class of diketopyrrolopyrrole (DPP) based alternating copolymers. To investigate the role of side-chains, we prepared four diketopyrrolopyrrole-diketopyrrolopyrrole (DPP-DPP) conjugated polymers with varied side-chains and carried out a systematic study of thin film microstructure and charge transport properties in polymer thin-film transistors (PTFTs). Combining results obtained from grazing incidence X-ray diffraction (GIXD) and charge transport properties in PTFTs, we conclude side-chains have a strong influence on molecular packing, thin film microstructure, and the charge carrier mobility of DPP-DPP copolymers. However, the influence of side-chains on optical properties was moderate. The preferential ``edge-on'' packing and dominant n-channel behavior with exceptionally high field-effect electron mobility values of >1 cm(2) V-1 s(-1) were observed by incorporating hydrophilic (triethylene glycol) and hydrophobic side-chains of alternate DPP units. In contrast moderate electron and hole mobilities were observed by incorporation of branched hydrophobic side-chains. This work clearly demonstrates that the subtle balance between hydrophobicity and hydrophilicity induced by side-chains is a powerful strategy to alter the molecular packing and improve the ambipolar charge transport properties in DPP-DPP based conjugated polymers. Theoretical analysis supports the conclusion that the side-chains influence polymer properties through morphology changes, as there is no effect on the electronic properties in the gas phase. The exceptional electron mobility is at least partially a result of the strong intramolecular conjugation of the donor and acceptor as evidenced by the unusually wide conduction band of the polymer.

π-Conjugated molecules with fused rings for organic field-effect transistors: design, synthesis and applications

π-Conjugated molecular materials with fused rings are the focus of considerable interest in the emerging area of organic electronics, since the combination of excellent charge carrier mobility and high stability may lead to their practical applications. This tutorial review discusses the synthesis, properties and applications of π-conjugated organic semiconducting materials, especially those with fused rings. The achievements to date, the remaining problems and challenges, and the key research that needs to be done in the near future are all discussed.

Pyrazine-containing Acene-Type Molecular Ribbons with up to 16 Rectilinearly Arranged Fused Aromatic Rings

A series of acene-type conjugated molecules(1-5) containing 2-6 pyrazine units and up to 16 rectilinearly arranged fused aromatic rings were synthesized by condensation coupling of 1,2-diamines and 1,2-diketones. The energy gap of the molecules estimated from absorption edge decreases with an increase in molecular length, indicating the well-delocalized nature of the molecules. The cyclic voltarnmetry measurements suggest that the n-type properties of these ribbonlike pyrazine derivatives are dependent on the molecular length and the number of the pyrazine units.

Starburst substituted hexaazatriphenylene compounds: synthesis, photophysical and electrochemical properties

Starburst-substituted hexaazatriphenylene Compounds have been designed and synthesized by introducing various peripheral aryl substituents to the central heterocyclic core. The effects of various substituent groups on the photophysical and electrochemical properties of the substituted hexaazatriphenylene have been investigated. Significant red-shifts of the absorption peak (from 413 nm to 530 nm) and emission peak (from 432 nm to 700 nm) were observed when the electron-donating ability of the aryl substituents was increased, corresponding to a decrease in the band gap from 2.90 eV to 2.05 eV. Introducing bulky substituents with weak electron-donating ability enhances the fluorescence quantum yield from 23% to 87%. In contrast, incorporating aryl substituents with strong electron-donating ability decreases the fluorescence quantum yield.

Rational Design, Synthesis, and Optical Properties of Film-Forming, Near-Infrared Absorbing, and Fluorescent Chiromophores with Multidonors and Large Heterocyclic Acceptors

A new series of film-forming, low-bandgap chromophores (1a,b and 2a,b) were rationally designed with aid of a computational study., and then synthesized and characterized. To realize absorption and emission above the 1000 nm wavelength, the molecular design focuses on lowering the LUMO level by fusing common heterocyclic units into a large conjugated core that acts an electron acceptor and increasing the charge transfer by attaching the multiple electron-donating groups at the appropriate positions of the acceptor core. The chromophores have bandgap levels of 1.27-0.71 eV, and accordingly absorb at 746-1003 nm and emit at 1035-1290 nm in solution. By design, the relatively high molecular weight (up to 2400 g mol(-1)) and non-coplanar structure allow these near-infrared (NIR) chromophores to be readily spin-coated as uniform thin films and doped with other organic semiconductors for potential device applications. Doping with [6,6]-phenyl-C-61 butyric acid methyl ester leads to a red shift in the absorption on]), for la and 2a. An interesting NIR electrochromism was found for 2a, with absorption being turned on at 1034 nm when electrochemically switched (at 1000 mV) from its neutral state to a radical cation state. Furthermore, a large Stokes shift (256-318 nm) is also unique for this multidonor-acceptor type of chromophore.

Study on the Single Crystals of Poly(3-octylthiophene) Induced by Solvent-Vapor Annealing

Needle-like single crystals of poly(3-octylthiophene) (P3OT) have been prepared by tetrahydrofuran-vapor annealing. The morphology and structure of the crystals were characterized with optical microscopy, scanning electron microscopy, atomic force microscopy, transmission electron microscopy, and wide-angle X-ray diffraction. It is observed that the P3OT molecules are packed with the backbones parallel to the length axis of the crystal and the alkyl side chains perpendicular to the substrate. The field effect transistor based on the P3OT single crystal exhibited a charge carrier mobility of 1.54 x 10(-4) cm(2)/(Vs) and on/off current ratio of 37, and the molecular orientation of the crystal is ascribed to account for the device performance. The time-dependent morphological evolution demonstrated that the crystals underwent Ostwald ripening when annealed.

Achieving perpendicular alignment of rigid polythiophene backbones to the substrate by using solvent-vapor treatment

The rigid backbone of the poly(3-butylthiophene) molecule adopts a perpendicular orientation with respect to the substrate by using a solvent-vapor treatment (see figure). Small and closely contacting spherulites instead of conventional whisker-like crystals are achieved. This could be utilized to improve charge-carrier mobility particularly in the direction normal to the film plane by designing and constructing thick crystalline domains in the functional layer.

Synthesis and characterization of soluble oligo (9,10-bisalkynylanthrylene)s

Soluble oligo(9,10-bialkynylanthryiene)s up to pentamers were synthesized by means of the Suzuki coupling reaction. A solution processed thin film field-effect transistor from pentamer OA-5b shows a charge carrier mobility of 2.95 x 10(-3) cm(2)/V center dot s.

Organische Mikro- und Nanodrähte auf Basis von Perylendiimiden

Diese Arbeit thematisiert die optimierte Darstellung von organischen Mikro- und Nanodrähten, Untersuchungen bezüglich deren molekularen Aufbaus und die anwendungsorientierte Charakterisierung der Eigenschaften. Mikro- und Nanodrähte haben in den letzten Jahren im Zuge der Miniaturisierung von Technologien an weitreichendem Interesse gewonnen. Solche eindimensionalen Strukturen, deren Durchmesser im Bereich weniger zehn Nanometer bis zu einigen wenigen Mikrometern liegt, sind Gegenstand intensiver Forschung. Neben anorganischen Ausgangssubstanzen zur Erzeugung von Mikro- und Nanodrähten haben organische Funktionsmaterialien aufgrund ihrer einfachen und kostengünstigen Verarbeitbarkeit sowie ihrer interessanten elektrischen und optischen Eigenschaften an Bedeutung gewonnen. Eine wichtige Materialklasse ist in diesem Zusammenhang die Verbindungsklasse der n-halbleitenden Perylentetracarbonsäurediimide (kurz Perylendiimide). Dem erfolgreichen Einsatz von eindimensionalen Strukturen als miniaturisierte Bausteine geht die optimierte und kontrollierte Herstellung voraus. Im Rahmen der Doktorarbeit wurde die neue Methode der Drahterzeugung „Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre“ entwickelt, welche auf Selbstassemblierung der Substanzmoleküle aus Lösung basiert und unter dem Einfluss von Lösungsmitteldampf direkt auf einem vorgegebenen Substrat stattfindet. Im Gegensatz zu literaturbekannten Methoden ist kein Transfer der Drähte aus einem Reaktionsgefäß nötig und damit verbundene Beschädigungen der Strukturen werden vermieden. Während herkömmliche Methoden in einer unkontrolliert großen Menge von ineinander verwundenen Drähten resultieren, erlaubt die substratbasierte Technik die Bildung voneinander separierter Einzelfasern und somit beispielsweise den Einsatz in Einzelstrukturbauteilen. Die erhaltenen Fasern sind morphologisch sehr gleichmäßig und weisen bei Längen von bis zu 5 mm bemerkenswert hohe Aspektverhältnisse von über 10000 auf. Darüber hinaus kann durch das direkte Drahtwachstum auf dem Substrat über den Einsatz von vorstrukturierten Oberflächen und Wachstumsmasken gerichtetes, lokal beschränktes Drahtwachstum erzielt werden und damit aktive Kontrolle auf Richtung und Wachstumsbereich der makroskopisch nicht handhabbaren Objekte ausgeübt werden. Um das Drahtwachstum auch hinsichtlich der Materialauswahl, d. h. der eingesetzten Ausgangsmaterialien zur Drahterzeugung und somit der resultierenden Eigenschaften der gebildeten Strukturen aktiv kontrollieren zu können, wird der Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die Morphologie der Selbstassemblierungsprodukte am Beispiel unterschiedlicher Derivate betrachtet. So stellt sich zum einen die Art der eingesetzten Lösungsmittel in flüssiger und gasförmiger Phase beim Trocknen unter Lösungsmittelatmosphäre als wichtiger Faktor heraus. Beide Lösungsmittel dienen als Interaktionspartner für die Moleküle des funktionellen Drahtmaterials im Selbstassemblierungsprozess. Spezifische Wechselwirkungen zwischen Perylendiimid-Molekülen untereinander und mit Lösungsmittel-Molekülen bestimmen dabei die äußere Form der erhaltenen Strukturen. Ein weiterer wichtiger Faktor ist die Molekülstruktur des verwendeten funktionellen Perylendiimids. Es wird der Einfluss einer Bay-Substitution bzw. einer unsymmetrischen Imid-Substitution auf die Morphologie der erhaltenen Strukturen herausgestellt. Für das detaillierte Verständnis des Zusammenhanges zwischen Molekülstruktur und nötigen Wachstumsbedingungen für die Bildung von eindimensionalen Strukturen zum einen, aber auch die resultierenden Eigenschaften der erhaltenen Aggregationsprodukte zum anderen, sind Informationen über den molekularen Aufbau von großer Bedeutung. Im Rahmen der Doktorarbeit konnte ein molekular hoch geordneter, kristalliner Aufbau der Drähte nachgewiesen werden. Durch Kombination unterschiedlicher Messmethoden ist es gelungen, die molekulare Anordnung in Strukturen aus einem Spirobifluoren-substituierten Derivat in Form einer verkippten Molekülstapelung entlang der Drahtlängsrichtung zu bestimmen. Um mögliche Anwendungsbereiche der erzeugten Drähte aufzuzeigen, wurden diese hinsichtlich ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften analysiert. Neben dem potentiellen Einsatz im Bereich von Filteranwendungen und Sensoren, sind vor allem die halbleitenden und optisch wellenleitenden Eigenschaften hervorzuheben. Es konnten organische Transistoren auf der Basis von Einzeldrähten mit im Vergleich zu Dünnschichtbauteilen erhöhten Ladungsträgerbeweglichkeiten präpariert werden. Darüber hinaus wurden die erzeugten eindimensionalen Strukturen als aktive optische Wellenleiter charakterisiert. Die im Rahmen der Dissertation erarbeiteten Kenntnisse bezüglich der Bildung von eindimensionalen Strukturen durch Selbstassemblierung, des Drahtaufbaus und erster anwendungsorientierter Charakterisierung stellen eine Basis zur Weiterentwicklung solcher miniaturisierter Bausteine für unterschiedlichste Anwendungen dar. Die neu entwickelte Methode des Trocknens unter Lösungsmittelatmosphäre ist nicht auf den Einsatz von Perylendiimiden beschränkt, sondern kann auf andere Substanzklassen ausgeweitet werden. Dies eröffnet breite Möglichkeiten der Materialauswahl und somit der Einsatzmöglichkeiten der erhaltenen Strukturen.

Electrical and optical properties of poly(2-dodecanoylsulfanyl-p-phenylenevnylene) and its application in electroluminescent devices

We describe the optical and electrical characterization of a poly(p-phenylenevinylene) derivative: poly(2-dodecanoylsulfanyl-p-phenylenevinylene) (12COS-PPV). The electrical characterization was carried out on devices with the FTO\PEDOT:PSS\12COS-PPV/Al structure. Positive charge carrier mobility mu(h) of similar to 1.0 x 10(-6) cm(2) V(-1) s(-1) and barrier height phi of similar to 0.1 eV for positive charge carrier injection at the PEDOT:PSS/12COS-PPV interface were obtained using a thermionic injection model. FTO\PEDOT:P55\12COS-PPV/Ca devices exhibited green-yellow electroluminescence with maximum emission at lambda = 540 nm.

Thermal inkjet printing of copper tetrasulfonated phthalocyanine (CuTsPc) as a semiconducting layer on flexible MIS capacitors

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Liquid crystalline hexabenzocoronenes as organic molecular materials - synthesis, characterization and application

Die vorliegende Arbeit 'Liquid Crystalline Hexabenzocoronenes as Organic Molecular Materials - Synthesis, Characterization and Application' war durch drei Schwerpunkte definiert:1. Verbesserung der Synthese von Hexabenzocoronen Derivaten mit sechsfacher Alkyl-Substitution,2. Entwicklung von molekularen Materialien mit verbesserten Eigenschaften wie zum Beispiel Löslichkeit und Verarbeitbarkeit,3. Einsatz der entwickelten Moleküle in optoelektronischen Bauteilen wie zum Beispiel organischen Solarzellen und Feld-Effekt-Transistoren.Mit Hilfe einer neuen Syntheseroute ist es gelungen Aryl-Aryl und Aryl-Alkyl Kupplungen sehr spät in der Reaktionssequenz von Hexabenzocoronenen einzusetzen. Dies führte zu einer Vielzahl substituierter HBC Derivate. Die Einführung eines Phenyl Spacers zwischen den HBC Kern und die äußeren Alkylketten, wie zum Beispiel in HBC-PhC12, hatte eine Vielzahl positiver Effekte wie dramatisch verbesserte Löslichkeit und Flüssigkristallinität bei Raumtemperatur zur Folge. Die Kombination dieser Phänomene ermöglichte die Bildung hochgeordneter Filme, welche sehr wichtig für den Einsatz in organischen Bauelementen sind. Mit Hilfe von STM Techniken an der Fest-Flüssig Phasengrenze wurden hochgeordnete 2-D Strukturen der HBC Moleküle gefunden. Die Kombination von extrem hoher kolumnarer Ordnung, bestimmt mit Hilfe der Festkörper NMR Spektroskopie, mit einer konstant hohen Ladungsträgerbeweglichkeit, führte zu dem sehr erfolgreichen Einsatz von HBC-PhC12 in organischen Solarzellen.

Control of the long-range self-organization of polycyclic aromatic hydrocarbons for device applications

Electronic devices based on organic semiconductors have gained increased attention in nanotechnology, especially applicable to the field of field-effect transistors and photovoltaic. A promising class of materials in this reseach field are polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs). Alkyl substitution of these graphenes results in the selforganization into one-dimensional columnar superstructures and provides solubility and processibility. The nano-phase separation between the π-stacking aromatic cores and the disordered peripheral alkyl chains leads to the formation of thermotropic mesophases. Hexa-peri-hexabenzocoronenes (HBC), as an example for a PAH, exhibits some of the highest values for the charge carrier mobility for mesogens, which makes them promising candidates for electronic devices. Prerequisites for efficient charge carrier transport between electrodes are a high purity of the material to reduce possible trapping sites for charge carriers and a pronounced and defect-free, long-range order. Appropriate processing techniques are required to induce a high degree of aligned structures in the discotic material over macroscopic dimensions. Highly-ordered supramolecular structures of different discotics, in particular, of HBC derivatives have been obtained by solution processing using the zone-casting technique, zone-melting or simple extrusion. Simplicity and fabrication of highly oriented columnar structures over long-range are the most essential advantages of these zone-processing methods. A close relation between the molecular design, self-aggregation and the processing conditions has been revealed. The long-range order achieved by the zone-casting proved to be suitable for field effect transistors (FET).

Discotic materials for organic electronics

Die Kontrolle der ausgeprägten Aggregationsfähigkeit von alkylsubstituierten Hexa-peri-hexabenzocoronenen (HBC) wurde durch die Reduktion der intermolekularen Wechselwirkungen erreicht. Sterisch anspruchsvolle, verzweigte Alkylketten, mit einem Verzweigungspunkt naher des aromatischen Kerns, wurden in die Corona der aromatischen Scheiben eingebracht und verleihen den Derivaten Schmelzbarkeit ohne thermische Zersetzung. Dies erlaubte eine kostengünstige Verarbeitungstechniken direkt aus der Schmelze wie z.B. Zonenschmelzen, um uniaxial organisierte makroskopische Filme zu erhalten. Abhängig von dem sterischen Anspruch, der durch die Seitenkette erzeugt wird, wurden unterschiedliche molekulare Orientierungen auf Oberflächen erhalten, was eine wichtige Voraussetzung ist, um diskotische Materialien in elektronische Bauteile zu implementieren. Eine weitere Voraussetzung sind hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten und Ladungsträgerlebenszeiten in den Halbleitermaterialien, die mit time-resolved pulse-radiolysis microwave conductivity (TR-PRMC) und time-of-flight (TOF) auch für die synthetisieren Materialien bestimmt wurden. Die neuen Materialien zeigten bereits in organischen Solarzellen gute Leistungen. Den Einfluss des Perimeters auf die elektronischen Eigenschaften der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe (PAKs) wurde theoretisch vorhergesagt und in dieser Arbeit durch die Synthese einer homologe Serie von PAKs experimentell bestätigt. Geht man von der „arm-chair“ Peripherie des HBC sukzessive zu einer partiellen „zickzack“ Peripherie, so findet man eine Abhängigkeit der elektronischen Banden von Symmetrie und Größe des aromatischen Systems. Die spontan ausgebildete Überstruktur dieser Derivate zeigte eine Abhängigkeit von Substitutionsmuster und der Natur der Alkylketten. Zusammenfassend wurden neben der Synthese von neuartigen Materialien für den Einsatz in der organischen Elektronik Synthesen entwickelt, die eine vereinfachte Funktionalisierung von ausgedehnten PAKs ermöglicht. Diese Konzepte erlauben eine Justierung der molekularen und supramolekularen Eigenschaften, eines der wichtigsten Voraussetzungen für den Einsatz von Materialien in elektronischen Bauelementen.

Synthetical engineering of supramolecular properties of large polycyclic aromatic hydrocarbons

An important property for devices is the charge-carrier mobility values for discotic organic materials like hexa-peri-hexabenzocoronenes. A close relation exists between the degree of their columnar self-arrangement of the molecules and their mobilities. Within this first step an induction of a higher order via hydrogen-bonding was considered, which mainly pointed towards the improvement of the intracolumnar stacking of the materials. For the analytics a broad range of methods was used including differential scanning calorimetry (DSC), wide-angle X-ray diffractometry (WAXS), solid-state NMR spectroscopy and scanning tunneling microscopy (STM). Indeed, a specific influence of the hydrogen-bonds could be identified, although in several cases by the cost of a severe reduction of solubility and processability. This effect was dampened by the addition of a long alkyl chain next to the hydrogen-bond exerting functional group, which resulted in an improved columnar arrangement by retention of processability. In contrast to the before mentioned example of inducing a higher intracolumnar order by hydrogen-bonding, the focus was also be set upon larger aromatic systems. The charge-carrier mobility is also in close relation to the size of the aromatic core and larger π-areas are expected to lead to improved mobilities. For photovoltaic applications a high extinction coefficient over a broad range of the spectrum is favorable, which can also be achieved by enlarging the aromatic core component. In addition the stronger π-interactions between the aromatic core components should yield an improved columnar stability and order. However the strengthening of the π-interactions between the aromatic core components led to a reduction of the solubility and the processability due to the stronger aggregation of the molecules. This required the introduction of efficiently solubilizing features in terms of long alkyl chains in the corona of the aromatic entity, in combination of a distortion of the aromatic core moiety by bulky tert-butyl groups. By this approach not only the processing and cleaning of the materials with standard laboratory techniques became possible, but moreover the first structure-rich UV/vis and a resolved 1H-NMR spectra for an aromatic system two times larger than hexa-peri-hexabenzocoronene were recorded. The bulk properties in an extruded fiber as well as on the surface showed a columnar self-assembly including a phase in which a homeotropic alignment on a substrate was observed, which turns the material into an interesting candidate for future applications in electronic devices.