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KOBRA - Dokumentenserver der Universität Kassel  → Fachbereiche  → FB 10 / Mathematik und Naturwissenschaften  → Institut für Chemie  → Arbeitsgruppe Makromolekulare Chemie und Molekulare Materialien  → Dissertationen 

Please use this identifier to cite or link to this item: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:hebis:34-2013051542729

Title: Organische Mikro- und Nanodrähte auf Basis von Perylendiimiden
Authors: Lambrecht, Julia
???metadata.dc.subject.swd???: Organischer HalbleiterPerylenderivateSelbstorganisation
???metadata.dc.subject.ddc???: 500 - Naturwissenschaften (Natural sciences and mathematics)540 - Chemie (Chemistry and allied sciences)
Issue Date: 15-May-2013
Abstract: 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.This thesis broaches the issue of optimized fabrication of organic micro- and nanowires, the analysis of their molecular structure and applied characterization of their properties. In the course of proceeding miniaturization of technologies micro- and nanowires gained in importance in the last years. Such one-dimensional structures have a diameter from a few tens of nanometers to several micrometers and are subjects of intense research. Beside inorganic basic materials for fabrication of micro- and nanowires, organic functional materials became more important because of their simple and cost efficient processability and their interesting electrical and optical properties. In this regard, n-semiconducting compound class of perylene tetracarboxylic diimides (perylene diimides) is important. The successful application of one-dimensional structures as miniaturized elements is preceded by an optimized and controlled fabrication. In the scope of the thesis the new method of wire fabrication, called “Drying under solvent atmosphere”, was developed. This is based on self assembly of materials molecules from solution and takes place directly on a chosen substrate under the influence of solvent vapor. In contrast to the techniques documented in literature, there is no need for transfer process from a reaction vessel and therefore related damaging of the structures is avoided. The substrate based method affords the creation of separated, single wires and hence the application in single structure devices for instance, whereas conventional techniques result in a great amount of tangled wires. The fibers fabricated by drying under solvent atmosphere are highly uniform in morphology and exhibit notably high aspect ratios of more than 10000 at a length of up to 5 mm. Moreover, by using pre-structured substrates and growth masks in the substrate based fabrication process, there is the possibility to achieve aligned and locally restricted wire growth. Thereby active control can be exerted on the growth direction and growth area of these micro- and nano-objects, which can not be handled in macroscopic scale. To offer the possibility to control the wire growth concerning material choice and therefore concerning resulting properties of fabricated structures, the influence of different parameters on the morphology of self assembly products is analyzed by considering different perylene diimide derivatives. On the one hand the type of adopted solvents in liquid and gaseous phase by using drying under solvent atmosphere method shapes up as an important factor. Both solvents serve as interaction partners for molecules of functional wire material in the self assembly process. Specific interactions between perylene diimide molecules among each other and with solvent molecules determine the outer shape of resulting structures. Another important factor is the molecule structure of used functional perylene diimide. The influence of bay-substitution and asymmetric imide-substitution on the morphology of resulting structures is pointed out. For the detailed understanding of correlation between molecule structure and needed growth conditions for creation of one-dimensional structures and for resulting wire properties, information about the molecular structure is of great interest. In the context of the thesis, a molecular highly ordered, crystalline constitution of the wires could be proved. By combining different measurement methods the molecular arrangement of structures from a spirobifluoren substituted derivative could be determined. Analysis revealed a tilted molecule stacking along the long axis of the wires. To point out possible fields of application for the fabricated wires, their electrical and optical properties were analyzed. Beside the potential adoption in filter or sensor applications, especially semiconducting and optical wave guiding properties have to be emphasized. Organic transistors based on single wires could be prepared. These devices exhibit an increased charge carrier mobility compared to thin film devices. Moreover, the fabricated one-dimensional structures were characterized as active optical waveguides. The aspects acquired in this thesis concerning creation of one-dimensional structures by self assembly, molecular wire composition and initial application related characterization, are a starting point for further development of such miniaturized elements for different applications. The new method of drying under solvent atmosphere is not limited to the usage of perylene diimides, but it can also be extended to other classes of materials. Broad possibilities of materials choice and therefore applications of resulting structures are established.
URI: urn:nbn:de:hebis:34-2013051542729
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