Synthesis and characterisation of perfluoroacene-terminated self-assembled monolayers
Physical Chemistry of Solids and Surfaces, Material Characterisation
Final Report Abstract
Die Hauptziele des DFG-Projekts waren die Entwicklung der Chemie der perfluorierten Acene sowie die Untersuchung der Eigenschaften von Monoschichten aus geeigneten Derivaten der Verbindungen. Triebkraft ist die Anwendung in der Molekülbasierten Elektronik, vor allem das Design der Grenzschichten zwischen Elektroden und aktiven Halbleitern, aber auch die Verwendung der Perfluoracene als inhärente n-Halbleiter. In der Anfangsphase wurde erfolgreich eine Syntheseroute für den Zentralkörper dieses Projekts, Perfluoranthracen (PFA), entwickelt, die die Verwendung von wasserfreiem Fluorwasserstoff und Schwefeltetrafluorid vermeidet. Leider konnte dieser Syntheseweg nicht auf die höheren Acene übertragen werden, so dass diese nur nach Literaturvorschrift unter Verwendung der o.g. Reagenzien erhalten werden konnten. Im Rahmen des Projekt wurde gefunden, dass grundsätzlich jedes Fluoratom im PFA durch geeignete Nucleophile ersetzt werden kann, d.h. die Selektivität durch die Natur des Nucleophils bestimmt wird. Für die Bildung von Monoschichten mit weitgehend aufrecht orientierten PFA-Einheiten wurde die Substitution in 2-Stellung angestrebt, die nach Optimierung in zufriedenstellender Weise durch N-, O- und S-Nucleophile erreicht werden konnte. Auf diese Weise wurden zwei Paare von PFA-terminierten Thiolen mit kurzen Alkylketten sowie ein „Direktthiol“ dargestellt. Alle Thiole wurden für die SAM-Bildung eingesetzt und ausgiebig charakterisiert. In allen Fällen ergeben sich mehr oder weniger hoch geordnete Schichten, in denen die PFA-Reste nahezu aufrecht stehen. Alle Schichten zeigen eine im Vergleich zum unbedeckten Substrat erhöhte Austrittsarbeit, was diese Schichten für ein energetisches Matching in organischen Devices, wie OFETs oder OLEDs qualifiziert. Die elektronenarmen π-Systeme der Perfluoracene eignen sich zudem zur Bildung von charge-transfer-Komplexen mit elektronenreichen Arenen, von denen eine Reihe hergestellt und charakterisiert wurde. Überraschenderweise führen die im Kristall sehr starken Wechselwirkungen trotzdem nicht zu der Bildung von binären Oberflächenschichten, wenn aus 1:1 Mischungen der entsprechenden Thiole abgeschieden wird. Es bleibt zu klären, welche Selektionsmechanismen in diesem speziellen Fall auftreten. Die aus diesem Projekt gewonnenen Ergebnisse stellen die Basis für weitere in der Gruppe durchgeführte Arbeiten dar und eröffnen insbesondere in der organischen Elektronik neue Möglichkeiten, wie z.B. anhand der Austrittsarbeit-Messungen gezeigt werden konnte.
Publications
- ACS Appl. Mater. Interf. 8 (2016) 7308-7319: “Self-Assembled Monolayers of Perfluoroanthracenylaminoalkane Thiolates on Gold as Potential Electron Injection Layers”
Zhang, Z.; Wächter, T.; Kind, M.; Schuster, S.; Bats, J.W.; Nefedov, A.; Zharnikov, M.; Terfort, A.
(See online at https://doi.org/10.1021/acsami.6b00532)
