Semiconductor Polymer Architectures using Click Chemistry and Controlled Radical Polymerization

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Lang, Andreas:
Semiconductor Polymer Architectures using Click Chemistry and Controlled Radical Polymerization.
Bayreuth , 2011
( Dissertation, 2011 , Universität Bayreuth, Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften)

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Abstract

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Synthese und Charakterisierung von halbleitenden Seitenkettenpolymeren und –blockcopolymeren für die Anwendung in organischen Photovoltaik-Bauelementen. Besonderer Augenmerk liegt dabei auf der Entwicklung und der Anwendung von modernen Synthesetechniken für die einfache und reproduzierbare Synthese solcher Polymere, auch im größeren Maßstab. Methoden zur kontrollierten radikalischen Polymerisation wie NMRP und RAFT, die zu wohldefinierten Polymeren mit enger Molekulargewichtsverteilung führen können, und ihre Kombination mit polymeranalogen Reaktionen, wie der Kupfer-katalysierten Azid-Alkin Zykloaddition („Klick“ Chemie), wurden erfolgreich dazu verwendet komplexe Polymerarchitekturen zu synthetisieren. Mit dieser Methode sollte ein genereller Ansatz für die Synthese von halbleitenden Seitenkettenpolymeren entwickelt werden. Zwei Arten von Gerüstpolymeren, Poly(Propargylacrylat) und Poly(Propargyloxystyrol), wurden dabei verwendet. „Klick“ Chemie sollte es ermöglichen die thermischen, strukturellen, elektronischen und optischen Eigenschaften des Polymers durch eine modulare Substitution mit unterschiedlichen Halbleiterresten einzustellen. Das thermotrope Phasenverhalten der synthetisierten Polymere analysierten wir umfassend mittels Differentieller Wärmeflusskalorimetrie (DSC), temperaturabhängiger Polarisationsmikroskopie (POM), sowie temperaturabhängiger Röntgendiffraktometrie (XRD). Nanostrukturierte Aggregate wurden mittels Transmissions-Elektronen-Spektroskopie (TEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht. Zusammenfassend präsentiert diese Arbeit die umfassende Anwendbarkeit von „Klick“ Chemie und Techniken der kontrollierten radikalischen Polymerisation, wie NMRP und RAFT, für die Synthese von hochkomplexen Halbleiter-Polymerarchitekturen und bildet die Grundlage für eine vereinfachte und hochskalierbare Vorgehensweise für die Synthese von Halbleiterpolymeren und Blockcopolymeren.

Abstract in weiterer Sprache

This thesis deals with the synthesis and characterization of side-chain semiconductor homopolymers and block copolymers for the application in organic photovoltaics (OPV). Special attention lies on the development and application of modern synthetic techniques for the easy and reproducible synthesis of such polymers, also in higher quantities. Controlled radical polymerization, such as nitroxide mediated radical polymerization (NMRP) and reversible addition-fragmentation chain transfer polymerization (RAFT), and its combination with polymer analogous reactions, such as copper-catalyzed azide-alkyne cycloaddition (CuAAC, “click” chemistry), was applied successfully to develop new complex semiconductor polymer architectures. With this method, a general approach for the synthesis of side-chain semiconductor polymers could be generated. Two kinds of scaffold polymers, poly(propargyl acrylate) and poly(propargyl oxystyrene) were used. “Click” chemistry allows the tuning of the thermal, structural, electrical and optical properties by modular substitution with different semiconductor moieties. We analyzed thermotropic phase behavior and structural properties of the synthesized polymers extensively by different methods like differential scanning calorimetry (DSC), temperature‐controlled polarized optical microscopy (POM) and temperature‐controlled X‐ray diffraction (XRD) experiments. Nanostructured assemblies were studied by transmission electron microscopy (TEM) and atomic force microscopy (AFM). To sum up, this work demonstrates the vast applicability of “click” chemistry and controlled radical polymerization techniques such as NMRP and RAFT for the synthesis of highly complex semiconductor polymer architectures and builds the foundation for a simplified and upscalable synthetic procedure for semiconductor polymers and block copolymers.