Advancing Organic Semiconductor Applications through Acceptor Polymer Development

Titelangaben

Erhardt, Andreas:
Advancing Organic Semiconductor Applications through Acceptor Polymer Development.
Bayreuth , 2024 . - XIV, 264 S.
( Dissertation, 2024 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT )

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Abstract

Stable and efficient acceptor polymers are the bottleneck of many applications of organic semiconductors. This thesis explores the synthesis and characterization of new acceptor materials for organic electronics, focusing on understanding the fundamental interconnection between structural features and optoelectronic processes within these newly designed and synthesized materials. This work delves into the intricate relationship between polymer structure, microstructure, and device operation, underpinning the design and functionality of these materials in various electronic applications. Central to this study are the design and synthesis of polymers using different conjugated motifs. Initial efforts involve the fullerene-functionalized norbornene copolymers, which demonstrate how controlled variations in fullerene grafting density can significantly affect the material's properties, such as glass transition temperature and charge carrier mobility. This precise control is achieved through living ring-opening metathesis polymerization (ROMP), which allows the control of molecular weight and low dispersity. The research then progresses to main chain conjugated polymers, explicitly focusing on diketopyrrolopyrrole (DPP) and thienopyrrolodione (TPD) based acceptor1-acceptor2 copolymers. These materials are synthesized with an emphasis on high electron deficiency and varied electronic properties, influenced by structural modifications in the DPP aryl substituents. Such nuanced changes significantly impact the materials' morphology and optoelectronic properties, marking them as versatile candidates for electron-accepting materials in organic photovoltaic and thin film transistor applications. Due to the promising material properties, the domain of acceptor1-acceptor2 copolymers is further investigated concerning additional applications. By sidechain tailoring, the host-ion interaction is increased, which is essential for organic electrochemical transistor applications. The respective hydrophilic polymers exhibit promising characteristics for stable operation in n-type organic electrochemical transistor (OECT) devices. Additionally, the n-doping process of the hydrophilic copolymer is investigated, using carbonate salts as dopants, revealing an unprecedented doping mechanism based on proton abstraction, leading to a dramatic increase in conductivity and facilitating the application of the material in thermoelectric applications. Throughout the thesis, the emphasis is placed not only on device-specific performance but on a deep understanding of the intrinsic behavior and processes of these materials. Investigations are aided by synchrotron-based techniques like grazing incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS) and near-edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS). This comprehensive approach sheds light on how structural nuances profoundly influence electronic and physical properties, which are essential for the application of conjugated polymer materials in a range of organic electronic devices.

Abstract in weiterer Sprache

Stabile und effiziente Akzeptorpolymere sind die limitierende Komponente vieler Anwendungen organischer Halbleiter. Diese Dissertation behandelt die Synthese und Charakterisierung neuer Akzeptormaterialien für die organische Elektronik, mit einem Fokus auf dem Verständnis der grundlegenden Korrelation zwischen chemischen Strukturmotiven und optoelektronischen Prozessen in diesen erstmalig synthetisierten Materialien. Die komplexe Beziehungen zwischen Polymerstruktur, Mikrostruktur und Leistung in Anwendungen, werden beleuchtet um die Funktionalität dieser Materialien in verschiedenen elektronischen Einsatzgebieten zu untermauern. Zentral für diese Studie sind der Entwurf und die Synthese von Polymeren unter Verwendung verschiedener konjugierter Motive. Anfangs beinhaltet dies die Synthese von Fulleren-funktionalisierten Norbornen Copolymeren, anhand derer gezeigt wird, wie kontrollierte Variation im Fulleren Funktionalisierungsgrad die Materialeigenschaften wie Glasübergangstemperatur und Ladungsträgermobilität erheblich beeinflussen können. Diese präzise Kontrolle wird durch lebende ringöffnende Metathesepolymerisation (ROMP) ermöglicht, bei der sowohl Molekulargewichtskontrolle als auch niedrige Dispersität zugänglich sind. Die Forschung wird mit Hauptketten-konjugierten Polymeren fortgesetzt, wobei der Fokus auf Diketopyrrolopyrrol (DPP) und Thienopyrrolodion (TPD)-basierten Akzeptor1-Akzeptor2-Copolymeren liegt. Diese Materialien werden mit Schwerpunkt auf hoher Elektronenaffinität und variablen elektronischen Eigenschaften synthetisiert, beeinflusst durch strukturelle Modifikationen in den DPP-Aryl-Substituenten. Solche nuancierten Änderungen haben einen signifikanten Einfluss auf die Morphologie und optoelektronischen Eigenschaften der Materialien und machen sie zu vielseitigen Kandidaten für Elektronen-akzeptierende Materialien in Anwendungen wie der organischen Photovoltaik oder organischen Dünnschichttransistoren. Aufgrund der vielversprechenden Materialeigenschaften wird das Gebiet der Akzeptor1-Akzeptor2-Copolymere hinsichtlich weiterer Anwendungen untersucht. Durch die Modifikation der Seitenketten wird die Polymer-Ionen-Wechselwirkung erhöht, was für Anwendungen in organisch elektrochemischen Transistoren (OECTs) entscheidend ist. Die entsprechenden hydrophilen Polymere zeigen geeignete Eigenschaften für einen stabilen Betrieb in n-Typ OECTs. Außerdem wird der n-Dotierungsprozess des hydrophilen Copolymers mit Carbonatsalzen als Dopants untersucht und ein bisher nicht beobachteter Dotierungsmechanismus basierend auf Protonenabstraktion aufgedeckt, der zu einer dramatischen Erhöhung der Leitfähigkeit führt und die Anwendung des Materials in thermoelektrischen Anwendungen ermöglicht. In der gesamten Dissertation liegt der Schwerpunkt nicht nur auf der anwendungsspezifischen Leistung, sondern auf einem tiefen Verständnis der intrinsischen Verhaltensweisen und Prozesse dieser Materialien. Die entsprechenden Studien werden unterstützt durch Synchrotron-basierte Techniken wie Weitwinkel-Röntgenstreuung unter streifendem Einfall (GIWAXS) und Nahkanten-Röntgenabsorptionsfeinstruktur Spektroskopie (NEXAFS). Dieser ausführliche Ansatz beleuchtet, wie strukturelle Nuancen elektronische und physische Eigenschaften tiefgreifend beeinflussen, was für die Anwengund von konjugierten Polymeren unerlässlich ist.