Gerichtete Kristallisation halbleitender Homopolymere und neuer Donor-Akzeptor Diblockcopolymere zur Kontrolle von Nanostruktur und optoelektronischen Eigenschaften

• Antragsteller: Professor Dr. Mukundan Thelakkat; Professor Dr. Thomas Thurn-Albrecht
• Fachliche Zuordnung: Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren ; Experimentelle und Theoretische Polymerphysik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407706940

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Ziele des Projekts waren zunächst die Synthese sowohl maßgeschneiderter Donor- und Akzeptor-Polymere als auch Blockcopolymere und die Untersuchung ihrer Strukturbildung und Kristallitausrichtung auf Substraten. In diesem Zusammenhang wurden verschiedene Polythiophene mit unterschiedlichen Seitenketten und Oberflächenenergien sowie Polydiketopyrrolopyrrole mit unterschiedlichen flankierenden Einheiten und Comonomeren synthetisiert und ihre Strukturbildung im Detail untersucht. Wir konnten zeigen, dass die Kristallorientierung in Filmen aus substituierten Polythiophenen durch Grenzflächenwechselwirkungen sowohl an der Substrat- als auch an der Vakuumgrenzfläche bestimmt wird. Durch Abstimmung der Oberflächenenergie der Polymere (über Seitenketten) kann daher eine einheitliche, durch Graphen induzierte Face-on-Kristallorientierung in Polythiophenfilmen mit einer Dicke von bis zu 200 nm realisiert werden. Bei den modifizierten Polythiophenen wird z. T. eine Face-on-Kristallorientierung sogar auf amorphen Oberflächen erreicht. Aufgrund der Konkurrenz der Grenzflächenwechselwirkungen kann die Kristallitorientierung in ein und derselben Probe in Abhängigkeit von den Kristallisationsbedingungen geändert werden. Diese Ergebnisse zeigen, dass die gerichtete Kristallisation zur Kontrolle der Orientierung von teilkristallinen Funktionspolymeren in dünnen Filmen eingesetzt werden kann, wenn die Oberflächenenergien der Polymere und die Wechselwirkung mit beiden Grenzflächen berücksichtigt werden. Außerdem wurden im Rahmen des Projekts verschiedene Polydiketopyrrolopyrrole (PDPP) synthetisiert und untersucht. Die chemische Struktur von PDPPs kann sehr flexibel variiert werden, indem die flankierenden Einheiten auf beiden Seiten des DPP-Kerns und das verwendete Comonomer verändert werden, um alternierende Copolymere zu erhalten. Dies führt je nach Strukturmotiv auch zu Lochtransport oder ambipolarem Transport oder Elektronentransport. Obwohl sich die chemischen Strukturen nur geringfügig voneinander unterscheiden, nämlich durch eine zusätzliche Seitenkette oder eine weitere flankierende Einheit, führen die Modifikationen in den untersuchten Modellpolymeren zu einer Erhöhung der langreichweitigen Ordnung und damit zu einer Änderung des Phasenzustands von sanidisch geordnet zu sanidisch rechteckig (oder schief) zu kristallin. Schließlich wurde ein Akzeptor-Akzeptor-Copolymer auf Basis von DPP- und Thienopyrrolidon (TPD)-Einheiten realisiert, dessen n-Typ-Charakter durch Seebeck-Messungen und n-Typ-Transistor-Charakter bestätigt wurde.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Influence of ω-Bromo Substitution on Structure and Optoelectronic Properties of Homopolymers and Gradient Copolymers of 3-Hexylthiophene. Macromolecules, 53(7), 2474-2484.
  Schmode, Philip; Schötz, Konstantin; Dolynchuk, Oleksandr; Panzer, Fabian; Köhler, Anna; Thurn-Albrecht, Thomas & Thelakkat, Mukundan
  
• The Key Role of Side Chain Linkage in Structure Formation and Mixed Conduction of Ethylene Glycol Substituted Polythiophenes. ACS Applied Materials & Interfaces, 12(11), 13029-13039.
  Schmode, Philip; Savva, Achilleas; Kahl, Robert; Ohayon, David; Meichsner, Florian; Dolynchuk, Oleksandr; Thurn-Albrecht, Thomas; Inal, Sahika & Thelakkat, Mukundan
  
• Elucidating the Effect of Interfacial Interactions on Crystal Orientations in Thin Films of Polythiophenes. Macromolecules, 54(12), 5429-5439.
  Dolynchuk, Oleksandr; Schmode, Philip; Fischer, Matthias; Thelakkat, Mukundan & Thurn-Albrecht, Thomas
  
• Polydiketopyrrolopyrroles Carrying Ethylene Glycol Substituents as Efficient Mixed Ion‐Electron Conductors for Biocompatible Organic Electrochemical Transistors. Advanced Functional Materials, 31(20).
  Krauss, Gert; Meichsner, Florian; Hochgesang, Adrian; Mohanraj, John; Salehi, Sahar; Schmode, Philip & Thelakkat, Mukundan
  
• High electron mobility and tuneable glass transition temperature in fullerene-functionalized polynorbornenes. Journal of Materials Chemistry C, 10(16), 6419-6428.
  Erhardt, Andreas; Hochgesang, Adrian; Meichsner, Florian & Thelakkat, Mukundan
  
• A Competitive n‐Type OECT Material via Copolymerization of Electron Deficient Building Blocks. Advanced Electronic Materials, 9(7).
  Erhardt, Andreas; Hochgesang, Adrian; McNeill, Christopher R. & Thelakkat, Mukundan
  
• Highly Efficient n‐Doping via Proton Abstraction of an Acceptor1‐Acceptor2 Alternating Copolymer toward Thermoelectric Applications. Advanced Functional Materials, 33(30).
  Hochgesang, Adrian; Erhardt, Andreas; Mohanraj, John; Kuhn, Meike; Herzig, Eva M.; Olthof, Selina & Thelakkat, Mukundan