Solvent induced different morphologies of bis(propyl)triethoxysilane substituted perylenediimide and their optical properties

Nano/microstructure of bis(propyl)triethoxysilane substituted perylenediimide (1) with nanoparticle and twisted microrod morphologies were obtained by reprecipitation method induced by water and petroleum ether, respectively. It is believed that the different nucleation and growth processes involved are responsible for the formation of the nano/micro-structure With different morphologies of 1. UV-vis absorption and photoluminescence measurements show that their UV-vis absorption and photoluminescence properties are different from each other as well as their monomer mid bulk materials due to the different effects on the change transfer (CT) transition energy levels caused by their different aggregation behaviors.

Annulation of Tetrathiafulvalene to the Bay Region of Perylenediimide: Fast Electron-Transfer Processes in Polar and Nonpolar Solvents

A tetrathiafulvalene donor has been annulated to the bay region of perylenediimide through a 1H-benzo-[d]pyrrolo[1,2-a]imidazol-1-one spacer affording an extended pi-conjugated molecular dyad (TTF-PDI). To gain insight into its ground- and excited-state electronic properties, the reference compound Ph-PDI has been prepared via a direct Schiff-base condensation of N,N'-bis(1-octylnonyl) benzoperylene-1',2':3,4:9,10-hexacarboxylic-1',2'-anhydride-3,4:9,10-bis (imide) with benzene-1,2-diamine. Both the experimental and the computational (DFT) results indicate that TTF-PDI exhibits significant intramolecular electronic interactions giving rise to an efficient photoinduced charge-separation process. Free-energy calculations verify that the process from TTF to the singlet-excited state of PDI is exothermic in both polar and nonpolar solvents. Fast adiabatic electron-transfer processes of a compactly fused, pi-conjugated TTF-PDI dyad in benzonitrile, 2-methyltetrahydrofuran, anisole and toluene were observed by femtosecond transient absorption spectral measurements. The lifetimes of radical-ion pairs slightly increase with decreasing the solvent polarities, suggesting that the charge-recombination occurs in the Marcus inverted region. By utilizing the nanosecond transient absorption technique, the intermolecular electron-transfer process in a mixture of has been observed via the triplet excited PDI for the first time.

Engineering nanostructured polymer blends with controlled nanoparticle location for excellent microwave absorption: a compartmentalized approach

In order to obtain better materials, control over the precise location of nanoparticles is indispensable. It is shown here that ordered arrangements of nanoparticles, possessing different characteristics (electrical/ magnetic dipoles), in the blend structure can result in excellent microwave absorption. This is manifested from a high reflection loss of ca. -67 dB for the best blend structure designed here. To attenuate electromagnetic radiation, the key parameters of high electrical conductivity and large dielectric/magnetic loss are targeted here by including a conductive material multiwall carbon nanotubes, MWNTs], ferroelectric nanostructured material with associated relaxations in the GHz frequency barium titanate, BT] and lossy ferromagnetic nanoparticles nickel ferrite, NF]. In this study, bi-continuous structures were designed using 50/50 (by wt) blends of polycarbonate (PC) and polyvinylidene fluoride (PVDF). The MWNTs were modified using an electron acceptor molecule, a derivative of perylenediimide, which facilitates p-p stacking with the nanotubes and stimulates efficient charge transport in the blends. The nanoscopic materials have specific affinity towards the PVDF phase. Hence, by introducing surface-active groups, an ordered arrangement can be tailored. To accomplish this, both BT and NF were first hydroxylated followed by the introduction of amine-terminal groups on the surface. The latter facilitated nucleophilic substitution reactions with PC and resulted in their precise location. In this study, we have shown for the first time that by a compartmentalized approach, superior EM attenuation can be achieved. For instance, when the nanoparticles were localized exclusively in the PVDF phase or in both the phases, the minimum reflection losses were ca. -18 dB (for the MWNT/BT mixture) and -29 dB (for the MWNT/NF mixture), and the shielding occurred primarily through reflection. Interestingly, by adopting the compartmentalized approach wherein the lossy materials were in the PC phase and the conductive materials (MWNT) were in the PVDF phase, outstanding reflection losses of ca. -57 dB (for the BT and MWNT combination) and -67 dB (for the NF and MWNT combination) were noted and the shielding occurred primarily through absorption. Thus, the approach demonstrates that nanoscopic structuring in the blends can be achieved under macroscopic processing conditions and this strategy can further be explored to design microwave absorbers.

Order induced charge carrier mobility enhancement in columnar liquid crystal diodes

Discotic molecules comprising a rigid aromatic core and flexible side chains have been promisingly applied in OLEDs as self-organizing organic semiconductors. Due to their potentially high charge carrier mobility along the columns, device performance can be readily improved by proper alignment of columns throughout the bulk. In the present work, the charge mobility was increased by 5 orders of magnitude due to homeotropic columnar ordering induced by the boundary interfaces during thermal annealing in the mesophase. State-of-the-art diodes were fabricated using spin-coated films whose homeotropic alignment with formation of hexagonal germs was observed by polarizing optical microscopy. The photophysical properties showed drastic changes at the mesophase-isotropic transition, which is supported by the gain of order observed by X-ray diffraction. The electrical properties were investigated by modeling the current−voltage characteristics by a space-charge-limited current transport with a field dependent mobility.

Synthese und Selbstorganisation von Perylendiimid-Oligonucleotid-Konjugaten

Im Rahmen dieser Arbeit wurde eine Methode entwickelt, Perylendiimidfarbstoffe mit Oligonucleotiden in der Lösung zu verknüpfen. Das Ziel der Arbeit war die nicht-kovalente Synthese von Perylendiimid-DNA- und Protein- supramolekularen Strukturen. Dabei werden die molekularen Erkennungseigenschaften von DNA und Proteinen zunutze gemacht. Insgesamt drei Themenbereiche wurden dabei betrachtet: 1. Synthese und Hybridisierung von symmetrischen und asymmetrischen Perylendiimid-bis(oligonucleotid)-konjugaten für die Bildung supramolekularer Strukturen, 2. Erzeugung von Oberflächenstrukturen auf der Basis von Streptavidin-Perylendiimid-Komplexen, 3. Synthese wasserlöslicher Rylenfarbstoffe für Anwendungen in biologischen Systemen. Zur Synthese und Hybridisierung von Perylendiimid-Oligonucleotid-Konjugaten wurde eine neue Idee verfolgt und erfolgreich realisiert. Dabei handelt es sich um die Synthese von Perylendiimid-DNA-Polymeren durch nicht-kovalente Bindungen. Die Basis des entwickelten Konzepts ist die Ausnutzung der Erkennungseigenschaften der DNA, um Perylendiimidmoleküle in eine lineare Makrostruktur zu organisieren, was sonst nur durch komplizierte chemische Polymersynthese zugänglich wäre. Die Selbstorganisation von zwei komplementären Perylendiimid-bis(oligonucleotid)-konjugaten (PODN1 und PODN2), die an der 5`-Position verknüpft sind, führte zu einem linearen Perylendiimid-DNA-Polymer in der Form von …ABABABAB…., das mit Hilfe von Gelelektrophorese charakterisiert wurde. Eindrucksvoll war auch die erfolgreiche Kopplung des hydrophoben Perylendiimids mit zwei unterschiedlichen Oligonucleotidsequenzen in der Lösung, um asymmetrische Perylendiimid-bis(oligonucleotid)-konjugate zu synthetisieren. Mit solchen asymmetrischen Konjugaten konnte die programmierbare Selbstorganisation der Perylendiimid-Oligonucleotide zu einer definierten Polymerstruktur realisiert werden. Die Synthese von PDI-(biotin)2 wurde vorgestellt. Durch die spezifische Erkennungseigenschaft zwischen Biotin und Streptavidin ist es möglich, eine Oberflächenstruktur zu bilden. Die Immobilisierungsexperimente zeigten, dass das PDI (biotin)2 Streptavidin erkennen und binden kann. Dabei konnte eine multischichtige Nanostruktur (5 Doppelschichten) auf einer Goldoberfläche.

Terrylendiimide als Biolabel und funktionelle Farbstoffe

In dieser Arbeit werden neue Rylenimide und Anwendungsmöglichkeiten für diese Farbstoffklasse beschrieben, die sich durch hohe Photostabilitäten und hohe Fluoreszenzquantenausbeute auszeichnet. Ziel dieser Arbeit war es, durch systematische Wahl der Substituenten in den Imidstrukturen und/oder den bay-Regionen von Rylendiimidfarbstoffen vollkommen neue Produkteigenschaften zu verwirklichen, Reaktionen bzw. Anwendungen zu ermöglichen und den Aufbau von komplexeren Chromophorarchitekturen zu gestatten. Das Strukturmotiv des Terrylendiimids nahm dabei die zentrale Rolle ein. Die Arbeit wurde in vier Kapitel aufgeteilt. Das Ziel des ersten Kapitels war es, wasserlösliche Terrylendiimide zur Untersuchung von biologischen Proben im Wellenlängenbereich über 600 nm einzusetzen. Ein wasserlösliches Terrylendiimid erwies sich dabei als deutlich photostabiler als zwei weitverbreitete Fluoreszenzfarbstoffe. Eine erste Proteinmarkierung mit monofunktionellem Farbstoff wurde an Proteinmolekülen erfolgreich durchgeführt. Durch gezielte Modifikationen konnten zwei Terrylendiimide hergestellt werden, die sich noch deutlich besser zum Abbilden von Zellstrukturen eignen. In dem zweiten Kapitel spielte die Löslichkeit von Rylendiimiden in organischen Lösungsmitteln eine zentrale Rolle. Es wurde eine Rylendiimidserie hergestellt, deren löslichkeitssteigernde Gruppen eine Organisation der Moleküle in ausgedehnten Stapelstrukturen nicht verhindern. Mit dieser Serie konnte das flüssigkristalline Verhalten und die Selbstorganisation in der Rylendiimidreihe untersucht werden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen wurde die Selbstorganisation der Diimide in Donor-Akzeptor Gemischen untersucht. In STM-Experimenten konnten für alle drei Diimide selbstorganisierte Monoschichten mit dem Rastertunnelmikroskop mit molekularer Auflösung abgebildet werden. Darüber hinaus wurden in diesem Kapitel die ersten organischen Feldeffekttransistoren (OFET) auf der Basis des synthetisierten Terrylendiimids beschrieben. Im Rahmen eines Projektes in dem die elektronische Energieübertragung in Donor-Akzeptor-Diaden mit Hilfe von Einzelmolekülspektroskopie untersucht wird, wurde eine Perylendiimid-Terrylediimid Diade hergestellt. Die geringere Photostabilität des Donors ermöglichte zeitaufgelöste Einzelmolekül-messungen der Akzeptoremission mit und ohne Energietransfer vom Donor auf den Akzeptor. Durch diese Messungen konnten die Zeitkonstanten des Energietransfers für einzelne Diaden ermittelt werden. Ein weiterer Chromophor aus diesem Donor-Akzeptor-Paar soll die Möglichkeit eröffnen, den Energiefluß im Molekül gezielt zu manipulieren. Dazu wurde ein Donorchromophor mit zwei Akzeptoren in einem Multichromophor kombiniert. Im Rahmen der Synthesen dieser Arbeit wurden Terrylendiimide hergestellt, die in einer Imidstruktur eine Halogenfunktion trugen. Diese waren wichtige Synthesebausteine zum Aufbau von komplexen Chromophorarchitekturen. Ziel eines weiteren Kapitels war es, ein Terrylendiimid herzustellen, das als Sensibilisatorfarbstoff gemeinsam mit dem Haupt-Antennenkomplex von höheren Pflanzen LHCII in einer photoelektrochemischen Farbstoff-Solarzelle integriert werden konnte. Das hergestellte Terrylendiimid mit Carbonsäuregruppe eignete sich für Farbstoffsolarzellen auf Zinndioxidbasis.

Aggregation of hybrid molecules and film formation of colloidal monolayers

A unique characteristic of soft matter is its ability to self-assemble into larger structures. Characterizing these structures is crucial for their applications. In the first part of this work, I investigated DNA-organic hybrid material by means of Fluorescence Correlation Spectroscopy (FCS) and Fluorescence Cross-Correlation Spectroscopy (FCCS). DNA-organic hybrid materials, a novel class of hybrid materials composed of synthetic macromolecules and oligodeoxynucleotide segmenta, are mostly amphiphilic and can self-assemble into supramolecular structures in aqueous solution. A hybrid material of a fluorophore, perylenediimide (PDI), and a DNA segment (DNA-PDI) has been developed in Prof. A. Hermann’s group (University of Groningen). This novel material has the ability to form aggregates through pi-pi stacking between planar PDIs and can be traced in solution due to the fluorescence of PDI. I have determined the diffusion coefficient of DNA-PDI conjugates in aqueous solution by means of FCS. In addition, I investigated whether such DNA-PDIs form aggregates with certain structure, for instance dimers. rnOnce the DNA hybrid material self-assemble into supermolecular structures for instance into micelles, the single molecules do not necessarily stay in one specific micelle. Actually, a single molecule may enter and leave micelles constantly. The average residence time of a single molecule in a certain micelle depends on the nature of the molecule. I have chosen DNA-b-polypropylene oxide (PPO) as model molecules and investigated the residence time of DNA-b-PPO molecules in their according micelles by means of FCCS.rnBesides the DNA hybrid materials, polymeric colloids can also form ordered structures once they are brought to an air/water interface. Here, hexagonally densely packed monolayers can be generated. These monolayers can be deposited onto different surfaces as coating layers. In the second part of this work, I investigated the mechanical properties of such colloidal monolayers using micromechanical cantilevers. When a coating layer is deposited on a cantilever, it can modify the elasticity of the cantilever. This variation can be reflected either by a deflection or by a resonance frequency shift of the cantilever. In turn, detecting these changes provides information about the mechanical properties of the coating layer. rnIn the second part of this work, polymeric colloidal monolayers were coated on a cantilever and homogenous polymer films of a few hundred nanometers in thickness were generated from these colloidal monolayers by thermal annealing or organic vapor annealing. Both the film formation process and the mechanical properties of these resulting homogenous films were investigated by means of cantilever. rnElastic property changes of the coating film, for example upon absorption of organic vapors, induce a deflection of the cantilever. This effect enables a cantilever to detect target molecules, when the cantilever is coated with an active layer with specific affinity to target molecules. In the last part of this thesis, I investigated the applicability of suitably functionalized micromechanical cantilevers as sensors. In particular, glucose sensitive polymer brushes were grafted on a cantilever and the deflection of this cantilever was measured during exposure to glucose solution. rn

Substituierte Perylendiimide als Elektronen-Akzeptoren in organischen Solarzellen

In dieser Arbeit wird mithilfe verschiedener spektroskopischer Experimente, morphologischer Untersuchungen und elektrischer Charakterisierung die Eignung von Perylendiimiden als Akzeptoren in organischen Solarzellen untersucht. Ziel dieser Arbeit ist es die photophysikalischen Eigenschaften von Perylendiimid-Derivaten zu verstehen und durch geeignete Substitution zu verbessern. Das Verständnis soll helfen, neue Akzeptormaterialien für organische Solarzellen mit Hilfe eines zielgerichteten Designs zu entwickeln. Um Struktur-Morphologie-Eigenschafts-Beziehungen herzustellen, wurden zunächst kovalent verbundene Dyaden untersucht, die es ermöglichen, die photophysikalischen Prozesse bei gegebener Donator-Akzeptor Ordnung mit der Nanomorphologie zu korrelieren. Anschließend wurden die photophysikalischen Eigenschaften neuer ortho-substituierter Perylendiimid-Derivate und die Auswirkungen dieser Substitution im Festkörper charakterisiert. Diese neuartigen Perylendiimid-Derivate zeigten in Kombination mit einem Donatorpolymer in organischen Solarzellen eine Verdopplung der Effizienz gegenüber bereits bekannten Perylendiimiden. Die verbleibenden Verlustkanäle konnten weiterhin durch Untersuchung der in der Solarzelle stattfindenden Prozesse einzeln nachgewiesen werden, und es wurde ein indirekter Beweis erbracht, dass die Erzeugung freier Ladungsträger ein effizienzlimitierender Prozess in Perylendiimid-basierten Solarzellen ist.

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.

Influence of perylenediimide–pyrene supramolecular interactions on the stability of DNA-based hybrids: Importance of electrostatic complementarity

Aromatic pi–pi stacking interactions are ubiquitous in nature, medicinal chemistry and materials sciences. They play a crucial role in the stacking of nucleobases, thus stabilising the DNA double helix. The following paper describes a series of chimeric DNA–polycyclic aromatic hydrocarbon (PAH) hybrids. The PAH building blocks are electron-rich pyrene and electron-poor perylenediimide (PDI), and were incorporated into complementary DNA strands. The hybrids contain different numbers of pyrene–PDI interactions that were found to directly influence duplex stability. As the pyrene–PDI ratio approaches 1:1, the stability of the duplexes increases with an average value of 7.5 °C per pyrene–PDI supramolecular interaction indicating the importance of electrostatic complementarity for aromatic pi–pi stacking interactions.

A modular LHC built on the DNA three-way junction

Over the past years, in numerous studies the DNA double helix serves as a scaffold for the controlled arrangement of functional molecules, including a wide range of different chromophores. Other nucleic acid structures like the DNA three-way junction have been exploited for this purpose as well. Recently, the successful development of DNA-based light-harvesting antenna systems have been reported. Herein, we describe the use of the DNA three-way junction (3WJ) as a versatile scaffold for the modular construction of an artificial light harvesting complex (LHC). The LHC is based on a modular construction in which a phenanthrene antenna is located in one of the three stems and the acceptor is brought into proximity of the antenna through the annealing of the third strand. Phenanthrene excitation (320 nm) is followed by energy transfer to pyrene (resulting in exciplex emission), perylenediimide (quencher) or a cyanine dye (cyanine fluorescence).