Synthese von neuen selenbasierten OFET-Materialien

Organische Halbleitermaterialien bieten ein breites Anwendungsgebiet: so ist der Zugang zu flexiblen, großflächigen sowie günstigen elektronischen Bauteilen wie etwa Organischen Lichtemittierenden Dioden (OLEDs), Solarzellen und Organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) möglich. Besonders letztere könnten die Türen zu bedeutenden Entwicklungen im Bereich der Elektronik öffnen und durch ihren Einsatz in flexiblen Displays basierend auf OLED-Technologie, in biegsamemelektronischem Papier, als Sensoren in der medizinischen Diagnostik, sowie als RFID-Transponder in zukunftsweisenden innovativen Geräten verwendet werden. Jedoch besteht aufgrund der geringen Stabilität gegenüber Luft sowie Licht der derzeit erforschten Materialien, welche als Halbleiter eingesetzt werden, Forschungsbedarf, um diese Defizite zu beseitigen. Zudem ist eine hohe Ladungsträgermobilität in der organischen Substanz erstrebenswert. Diese kann vor allem durch strukturelle Eigenschaften des organischen Halbleitermaterials beeinflusst werden. So kommt es auf Grund starker intermolekularer Wechselwirkungen im Material zu einer dichten Anordnung der Moleküle und somit zu gutem Ladungstransport im Halbleiter. Diese Wechselwirkungen in der organischen Verbindung können durch Einbau von Heteroatomen verstärkt werden. Aufbauend auf ersten, vielversprechenden Ergebnissen ist das Ziel dieses Projekts die Entwicklung unterschiedlichster Verbindungen, welche aufgrund des Einsatzes von Heteroatomen wie Schwefel und Selen hohe Ladungsträgermobilitäten sowie gute Oxidationsbeständigkeit aufweisen. Auf Grund der geringen Anzahl an kommerziell erhältlich Selenverbindungen und beschränkter synthetischer Zugänglichkeit ist es erforderlich verlässliche Synthesen zu den gewünschten Zielsubstanzen ausgehend von käuflich verfügbaren kleinen Bausteinen zu entwickeln, diese könnten weit über den Bereich der Materialchemie hinaus von Bedeutung sein. Einkristalle der erhalten Halbleiter sollen bezüglich ihrer Heteroatomwechselwirkungen analysiert und die Materialien hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit in OFETs getestet werden.

In den letzten Jahren haben organische Halbleitermaterialien zunehmend an wissenschaftlichen sowie kommerziellen Interesse gewonnen. Die einzigartigen Eigenschaften dieser Materialien erlauben die Herstellung von flexiblen, großflächigen, energieeffizienten und günstigen elektronischen Bauteilen wie etwa Organischen Lichtemittierenden Dioden (OLEDs), organischen Solarzellen sowie Organischen Feldeffekttransistoren (OFETs). Bei der Entwicklung neuer Materialien spielt die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen molekularer Struktur und resultierenden Eigenschaften eine wichtige Rolle. So kommt es auf Grund starker intermolekularer Wechselwirkungen im organischen Material zu einer dichten Anordnung der Moleküle und somit zu einem guten Ladungstransport im Halbleiter. Ziel dieses Projekts war es in einem definierten organischen Material auf diese Wechselwirkungen durch Ersatz von Schwefel durch Selen Einfluss zu nehmen und somit neue effiziente Halbleitermaterialien herzustellen. Unlängst wurden von uns überbrückte Thienobenzothiophene als effektive Bausteine für OFET-Materialien präsentiert. Aufbauend auf diesen ersten, vielversprechenden Ergebnissen wurden unterschiedlich annelierte Chalkogenophene als molekulare Plattform gewählt um den Einfluss verschiedener Modifikationen des Gerüsts auf die Materialeigenschaften gezielt zu verändern. Auf Grund der limitierten Anzahl an kommerziell erhältlichen Selenverbindungen und der beschränkten synthetischen Zugänglichkeit war es erforderlich verlässliche Synthesen zu den gewünschten Zielsubstanzen ausgehend von käuflich verfügbaren kleinen Bausteinen zu entwickeln. Es wurde eine Synthesestrategie für den selektiven Einbau der Heteroatome in bestimmten Positionen innerhalb des Halbleitergerüsts entwickelt. Die photophysikalischen und elektrochemischen Eigenschaften der erhaltenen überbrückten regioisomeren Materialien konnten durch Variation der Positionen und der Anzahl der Heteroatome gezielt verändert werden. Zudem konnte durch Verwendung von theoretischen Berechnungen eine Methode gefunden werden, um die Energie der Frontorbitale der Zielverbindungen gut vorhersagen zu können. Einkristalle der erhalten Verbindungen zeigten eine starke Abhängigkeit der intermolekularen Wechselwirkungen von der Anzahl sowie Position der Heteroatome. Zusätzlich haben die eingebauten Selenatome einen großen Einfluss auf die Ausrichtung im kristallinen Zustand, was ein entscheidender Faktor für funktionelle organische Materialien ist. Die hergestellten Verbindungen wurden hinsichtlich ihrer Einsetzbarkeit in OFETs getestet. Es konnte gezeigt werden, dass unter gleichen Herstellungsbedingungen der OFET Bauteile selenbasierte Materialien eine deutlich höhere Ladungsträgermobilität im Vergleich zu ihren schwefelhaltigen Analoga aufweisen.