Liquid crystalline phases of anisotropic, polymer functionalized nanoparticles

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Polymerfunktionalisierung formanisotroperrnNanopartikel wie TiO2 Nanostäbchen oder Kohlenstoff Nanoröhren. Dies dient derrnSolubilisierung und sterischen Stabilisierung in organischen Medien, da diesernionenfrei hergestellt werden können, was eine Nutzung für nanoskopische,rnelektrische Schaltkreise ermöglicht. Die Polymere wurden mittels der RAFTrn(reversible addition-fragmentation chain transfer) Polymerisation mit engenrnMolekulargewichtsverteilungen hergestellt. Im Detail wurden Ankergruppen inrnBlockcopolymere und an der Alphaposition eingeführt, welche eine Anbindung an diernNanopartikeloberfläche ermöglichen. Die Polymere wurden durch Variation derrnverschiedenen Blocklängen für eine bestmögliche Adsorption optimiert. Die sorngewonnenen Polymer funktionalisierten Nanopartikel zeigten eine gute Löslichkeit inrnorganischen Medien und zeigten zudem eine lyotropes, flüssigkristallinesrnPhasenverhalten. Dies war aufgrund der Formanisotropie zu erwarten, zeigte jedochrnebenfalls ein unerwartetes thermotropes Verhalten, welches durch die Polymerhüllernerzeugt wurde. Die Flüssigkristalle wurden eingehend mittels polarisierterrnMikroskopie und Differential Scanning Calorimetry (DSC) untersucht. Diernflüssigkristallinen Phasen aus Nanostäbchen und –röhren wurde dann zurrnOrientierung der anisotropen Nanopartikel benutzt und es konnten makroskopischrngeordnete Proben hergestellt werden. Die Polymerhülle um die Nanopartikelrnermöglichte es ebenfalls diese in Polymerfilme einzuarbeiten und sornNanopartikelverstärkte Kunststoffe herzustellen.

Synthesis and characterization of new discotic polycyclic aromatic hydrocarbons and related pyrolytic nanostructures

Diskotische Hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) als molekulare, definierte graphitische Substrukturen sind bereits seit langem Gegenstand von Untersuchungen zu der Delokalisierung von π-Elektronen. In dieser Arbeit wurden zusätzlich Platin-Komplexe in das periphere Substitutionsmuster von HBC eingeführt. Dies führte zu einer Verbesserung der Emission von dem angeregten Triplett-Zustand in den Singulett-Grundzustand mit einer zusätzlichen Verlängerung der Lebensdauer des angeregten Zustandes. Zusätzlich erlaubte diese Konfiguration ein schnelles Intersystem-Crossing mittels einer verstärkten Spin-Orbit Kopplung, die sowohl bei tiefen Temperaturen, als auch bei Raumtemperatur exklusiv zu Phosphoreszenz (T1→S0) führte. Das Verständniss über solche Prozesse ist auch essentiell für die Entwicklung verbesserter opto-elektronischer Bauteile. Die Erstellung von exakt definierten molekularen Strukturen, die speziell für spezifische Interaktionen hergestellt wurden, machten eine Inkorporation von hydrophoben-hydrophilen, wasserstoffverbrückten oder elektrostatischen funktionalisierten Einheiten notwendig, um damit den supramolekularen Aufbau zu kontrollieren. Mit Imidazolium-Salzen funktionalisierte HBC Derivate wurden zu diesem Zwecke hergestellt. Eine interessante Eigenschaft dieser Moleküle ist ihre Amphiphilie. Dies gestattete die Untersuchung ihrer Eigenschaften in einem polaren Solvens und sowohl der Prozessierbarkeit als auch der Faserbildung auf Siliziumoxid-Trägern. Abhängig vom Lösungsmittel und der gewählten Konditionen konnten hochkristalline Fasern erhalten werden. Durch eine Substitution der HBCs mit langen, sterisch anspruchsvollen Seitenketten, konnte durch eine geeignete Prozessierung eine homöotrope Ausrichtung auf Substraten erreicht werden, was dieses Material interessant für photovoltaische Applikationen macht. Neuartige Polyphenylen-Metall-Komplexe mit diskotischen, linearen und dendritischen Geometrien wurden mittels einer einfachen Reaktion zwischen Co2(CO)8 und Ethinyl-Funktionalitäten in Dichlormethan hergestellt. Nach der Pyrolyse dieser Komplexe ergaben sich unterschiedliche Kohlenstoff-Nanopartikel, inklusive Nanoröhren, graphitischen Nanostäben und Kohlenstoff/Metall Hybrid Komplexe, die durch Elektronenmikroskopie untersucht wurden. Die resultierenden Strukturen waren dabei abhängig von der Zusammensetzung und Struktur der Ausgangssubstanzen. Anhand dieser Resultate ergeben sich diverse Möglichkeiten, um den Mechanismus, der zur Herstellung graphitischer Nanopartikel führt, besser zu verstehen.

Polymer-nanoparticle composites: from orientation phenomena to optoelectronic applications

Polymer-nanoparticle hybrids show synergistic effects, demonstrating both, the unique properties of nanosized structures and the good processability and functionalities of polymeric materials. This work shows the synthesis and application of block copolymers containing a soluble, functional block and a short anchor block, which efficiently binds to the surface of nanocrystals. We functionalized anisotropic, semiconducting nanoparticles, which can be dissolved in organic and polymeric matrices upon modification. The modified nanorods have the ability to form liquid crystalline phases, which behave similar to low molecular liquid crystals with a reversible clearing behaviour. These liquid crystalline phases could also be obtained in hole conducting matrices. For a macroscopic orientation of the nanorods, electric fields were applied and a switching (in analogy to known liquid crystals) to a homeotropic orientation was observed.rnBy introduction of dye molecules in the anchor block of a hole conducting block copolymer, all essential components of a solar cell can be combined in a single particle. Light absorption of the dye induces the injection of electrons into the particles, followed by a charging, that was monitored by a special AFM technique.rnLight emitting nanocrystals were functionalized analogously with a hole transporting polymer. The stability of the particles could be enhanced by the sterically stabilizing polymer corona and the particles showed improved properties in terms of processing. We applied these hybrid materials in light emitting devices, which showed better characteristics due to an improved hole injection and well dispersed emitting particles in the active device layer.rnThe work shows the broad spectrum of properties and applications based on the synergistic effects in hybrid and composite materials.

Kontrolle der Grenzflächeneigenschaften anorganischer Nanopartikel mittels amphiphiler Polymere

Im Rahmen dieser Arbeit wurden amphiphile Co- und Terpolymere verwendet, um die Grenzflächeneigenschaften anorganischer Nanopartikel zu kontrollieren. Es wurde eine effiziente und vielseitige Methode entwickelt, mit der in-situ hydrophobierte, formanisotrope ZnO-, CdS- und Au-Nanopartikel sowie poröse TiO2-Nanopartikel hergestellt werden konnten. Diese Technik basierte auf der Fällung anorganischer Nanopartikel in einer inversen Emulsion mittels kombinierten Einsatzes zweier maßgeschneiderter amphiphiler Polymere. Ein Copolymer ermöglichte sowohl die Stabilisierung der Emulsion als auch die Hydrophobierung der Partikel, und ein weiteres Struktur-dirigierendes Agens (SDA) kontrollierte den Kristallisationsprozess. Infolge ihrer Form zeigten die Nanopartikel von sphärischen Teilchen abweichende Lagen der Oberflächenplasmonenresonanz und der Bandlücke. Aufgrund der hervorragenden Hydrophobierung dieser Kolloide mittels amphiphiler Copolymere konnten diese homogen in polymere Materialien eingearbeitet werden. Dies erlaubte es die speziellen Eigenschaften von nicht-sphärischen Kolloiden auf Nanokompositmaterialien zu übertragen. Darüber hinaus wurden amphipolare Copolymere genutzt, um superhydrophobe Oberflächen zu generieren. Hierzu wurden Filme bestehend aus rauen SiO2-Nanopartikeln mit fluorierten Emulgatoren beschichtet. In einem dritten Schwerpunkt dieser Arbeit wurden amphiphile Co- und Terpolymere verwendet, um anorganische Nanopartikel zu hydrophilieren. Durch Variation der Emulgatorzusammensetzung konnten die Ladung und Ladungsdichte auf der Partikeloberfläche gezielt gesteuert werden. Darüber hinaus konnte die Partikelhülle zusätzlich mit Farbstoffmolekülen funktionalisiert werden, was den erfolgreichen Einsatz der Kolloide in Zellaufnahmeexperimenten ermöglichte.

Efficient microwave hydrothermal preparation of nanocrystalline anatase TiO2 colloids

Titanium dioxide nanocrystals are an important commercial product used primarily in white pigments and abrasives, however, more recently the anatase form of TiO2 has become a major component in electrochemical and photoelectrochemical devices. An important property of titanium dioxide nanocrystals for electrical applications is the degree of crystallinity. Numerous preparation methods exist for the production of highly crystalline TiO2 particles. The majority of these processes require long reaction times, high pressures and temperatures (450–1400 °C). Recently, hydrothermal treatment of colloidal TiO2 suspensions has been shown to produce quality crystalline products at low temperatures (<250 °C). In this paper we extend this idea utilising a direct microwave heating source. A comparison between convection and microwave hydrothermal treatment of colloidal TiO2 is presented. The resulting highly crystalline TiO2 colloids were characterised using Raman spectroscopy, XRD, TEM, and electron diffraction. The results show that the microwave treatment of colloidal TiO2 gives comparable increases in crystallinity with respect to normal hydrothermal treatments while requiring significantly less time and energy than the hydrothermal convection treatment.

Ultrafast near infrared sintering of TiO2 layers on metal substrates for dye-sensitized solar cells

A limiting step to roll-to-roll production of dye-sensitized solar cells on metals is TiO2 sintering (10-30 min). Near infrared (NIR) heating is a novel process innovation which directly heats titanium substrates giving rapid binder removal and sintering. NIR heating (for 12.5 s) at varying power gave titanium temperatures of 545, 685 and 817 degrees Celsius yielding cells with efficiencies of 2.9, 2.8 and 2.5%. Identical cells prepared in a conventional oven (1800 s) at 500, 600 and 800 degrees Celsius gave 2.9, 2.6 and 0.2% efficiency. NIR sintering is ultrafast and has a wide process window making it ideal for rapid manufacturing on metals.

Fast hole surface conduction observed for indoline sensitizer dyes immobilized at fluorine-doped tin oxide - TiO2 surfaces

The indoline dyes D102, D131, D149, and D205 have been characterized when adsorved on fluorine-doped tin oxide (FTO) and TiO2 electrode surfaces. Adsorption from 50:50 acetonitrile - tert-butanol onto flourine-doped tin oxide (FTO) allows approximate Langmuirian binding constants of 6.5 x 10(4), 2.01 x 10(3), 2.0 x 10(4), and 1.5 x 10(4) mol-1 dm3, respectively, to be determined. Voltammetric data obtained in acetonitrile/0.1 M NBu4PF6 indicate reversible on-electron oxidation at Emid = 0.94, 0.91, 0.88, and 0.88 V vs Ag/AgCI(3 M KCI), respectively, with dye aggregation (at high coverage) causing additional peak features at more positive potentials. Slow chemical degradation processes and electron transfer catalysis for iodine oxidation were observed for all four oxidezed indolinium cations. When adsorbed onto TiO2 nanoparticle films (ca. 9nm particle diameter and ca.3/um thickness of FTO0, reversible voltammetric responses with Emid = 1.08, 1.156, 0.92 and 0.95 V vs Ag/AgCI(3 M KCI), respectively, suggest exceptionally fast hole hopping diffusion (with Dapp > 5 x 10(-9) m2 s-1) for adsorbed layers of four indoline dyes, presumably due to pie-pie stacking in surface aggregates. Slow dye degradation is shown to affect charge transport via electron hopping. Spectrelectrochemical data for the adsorbed indoline dyes on FTO-TiO2 revealed a red-shift of absorption peaks after oxidation and the presence of a strong charge transfer band in the near-IR region. The implications of the indoline dye reactivity and fast hole mobility for solar cell devices are discussed.