Structure-Property Correlation as a Function of Donor and Acceptor Arrangement in Low Band Gap Materials

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Neubig, Anne:
Structure-Property Correlation as a Function of Donor and Acceptor Arrangement in Low Band Gap Materials.
Bayreuth , 2014 . - VIII, 147 S.
( Dissertation, 2014 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Materialien mit kleiner Bandlücke (LBG) sind von hohem Interesse, da sie vielversprechende Eigenschaften aufweisen, die zur Anwendung in opto-elektronischen Bauteilen, wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren, organischen Leuchtdioden oder Solarzellen von Nöten sind. Eine erfolgreiche Strategie um eine Absorption auch im höheren Wellenlängenbereich zu ermöglichen, ist die Alternation von Donor (D) und Akzeptor (A) Einheiten entlang eines konjugierten Systems. Um die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen von solchen konjugierten DA Materialien zu ver-stehen, sind fundamentale Untersuchungen erforderlich.
Diese Dissertation umfasst sowohl die maßgeschneiderte Synthese als auch die Charakterisierung und Untersuchung einer Vielzahl von DA Materialien. Es wurden grundlegende Aspekte untersucht, wie der Vergleich von konjugierten Systemen, die entweder statistisch oder alternierend angeordnete D und A Einheiten entlang des konjugierten Systems besitzen. Der Einfluss einer Zunahme der Donorstärke in Donor-Akzeptor-Donor Systemen ist ein weiteres Thema welches studiert wurde.
Ziel dieser Arbeit ist es die Einflüsse dieser unterschiedlichen DA Anordnungen auf die optischen, elektrochemischen und elektronischen Eigenschaften zu untersuchen. Um direkt vergleichbare DA Systeme zu erhalten wurde eine modulare Synthesestrategie entwickelt. Dazu wurden neuartige, bifunktionelle Monomere vom AB und AA/BB Typ synthetisiert und mittels Suzuki Kreuzkupplungsmethoden weiter umgesetzt. Dank dieser Strategie ist es gelungen einerseits wohldefinierte, monodisperse, niedermolekulare Verbindungen und andererseits sowohl Oligomere als auch Polymere zu synthetisieren und zum Vergleich heranziehen zu können. Der Ladungstransport der Materialien wurde mittels organischen Feldeffekttransistoren sowie der SCLC Methode („space-charge limited current“) und der Messung typischer Strom-Spannungs-Kennlinien grundlegend untersucht.
Der erste Teil dieser Dissertation beschäftigt sich mit wohldefinierten, mono-dispersen niedermolekularen und oligomeren Verbindungen mit einer alternierenden oder statistischen Anordnung der jeweiligen D und A Einheiten. Es wurden verschiedene DA Verbindungen synthetisiert, die als Akzeptoreinheit 2,1,3-Benzo-thiadiazol und als Donoreinheiten Thiophene besitzen. Verbindungen mit unterschiedlicher Länge wurden in einer kombinierten experimentellen und theoretischen Studie, die auf der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie basiert, im Detail untersucht.
Die fundamentale Frage, ob statistische oder alternierende Anordnungen in DA Systemen einen Einfluss auf die optische Absorption nehmen, wurde in diesem Teil der Arbeit gestellt. In lichtabsorbierenden Komponenten spielt die Energie der niedrigsten Anregung eine wichtige Rolle, daher stand diese bei unseren Untersuchungen im Fokus. Es konnte gezeigt werden, dass eine Variation der Anordnung der D und A Einheiten in solchen niedermolekularen Verbindungen lediglich einen geringen Einfluss auf die optische Lücke hat. Diese Ergebnisse sind sowohl für die theoretischen Berechnungen als auch für die experimentell bestimmten Energien der niedrigsten Anregung übereinstimmend, wobei die Differenz der alternierenden und statistischen Systeme im Bereich von 0.09 eV liegt.
Ein interessanter Unterschied zwischen Experiment und Theorie .....

Abstract in weiterer Sprache

Low band gap (LBG) materials are of great interest since this class of compounds feature promising properties for application in a diversity of optoelectronic devices such as organic field effect transistors, organic light emitting displays or solar cells. A successful approach to extend the absorption to longer wavelength for LBG materials is the alternation of donor (D) and acceptor (A) units along a conjugated system. For a profound understanding of structure-property correlations in DA conjugated materials fundamental investigations are necessary.
This dissertation deals with the tailor-made syntheses and characterization of a variety of DA materials. Fundamental issues such as the specific arrangement of D and A units along the conjugated system, e.g. random or alternating, as well as the effect of increasing donor strength in donor-acceptor-donor systems are studied. The aim was to investigate the influences of such different DA arrangements on optical, electro-chemical, and electronic properties. Therefore, a modular synthetic strategy was developed to achieve comparable DA systems. In particular this approach included the syntheses of novel bifunctional AB and AA/BB type monomers for the usage in Suzuki coupling reactions. Thus, directly comparable DA materials were synthesized. Due to this approach, we were able to obtain well-defined monodisperse low molecular weight compounds on the one hand and oligomers / polymers on the other hand. The fundamental question of charge transport in DA materials was examined by the preparation of organic field effect transistors (OFETs) and measuring typical output and transfer characteristics as well as by fabricating of single carrier devices using the space-charge limited current (SCLC) method.
The first part deals with well-defined monodisperse low molecular weight systems and oligomers with an alternating or random DA arrangement. DA materials consisting of 2,1,3-benzothiadiazole as acceptor unit and thiophenes as donor unit were synthesized. These compounds were investigated in a combined experimental and theoretical study. The latter was performed by using time-dependent density functional theory (TDDFT) based on non-empirically tuned range separated hybrid functionals. The fundamental question of whether the alternating or random arrangement of D and A units of conjugated materials have an impact on the optical absorption is addressed here. Due to its importance in light harvesting materials, the energy of the first electronic transition was studied. Our data suggests that the nature of the D and A arrangement has only little impact on the optical gap in such small molecular weight compounds.
The theoretical findings are in line with the experimental results. The first excitation energies for alternating and random systems vary no more than 0.09 eV .....