English Title: Tetraazapentacen-Constructs

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Abstract

Diese Dissertation beschäftigt sich mit der Entwicklung eines neuartigen Konzepts zur Morphologiekontrolle niedermolekularer organischer Halbleiter. Durch Geometrisierung monomerer, im Feststoff hochkristalliner Acene in rigide, makromolekulare Konstrukte gelang es, spezifische Eigenschaften zu betonen oder abzuschwächen. Die Kontrolle über die Materialmorphologie wurde ohne Einführung zusätzlicher, elektronisch inaktiver Reste erreicht und bedient sich ausschließlich der molekularen Gestalt zur Festlegung der Festkörperinteraktion. Hierbei werden konjugative und absorptive Eigenschaften des Monomers verbessert.

Wegen des heutigen Mangels an morphologisch vielseitigen Elektronenakzeptoren in optoelektronischen Anwendungen wurde sich auf 6,13-Bis(triisopropylsilylethinyl)-5,7,12-14-tetraazapentacen (TIPSTAP) als elektrisch aktive Komponente fokussiert. Aus dem monomeren „nulldimensionalen“ TIPSTAP wurden starre, molekulare Konstrukte verschiedener Dimensionalität geschaffen. Diese sind elektronisch mit C60 vergleichbar, jedoch morphologisch divers, was zur Etablierung von Struktur-Wirkungs-Prinzipien genutzt werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass sich das entwickelte Konzept direkt auf das isostrukturelle Pentacen-Derivat übertragen lässt und somit zu generalisieren ist.

In zweidimensionalen und besonders in eindimensionalen Konstrukten wurden Festkörperinteraktionen betont, während sie in dreidimensionalen, expandiert tetraedrischen Konstrukten in etwa denen des Monomers entsprachen. Filmbildungseigenschaften wurden in den dreidimensionalen Tetraedern besonders stark verbessert, sodass dem kristallinen TIPSTAP Material durch Einführung nur eines einzigen zusätzlichen, unkonjugierten Atoms pro vier Monomere jegliche Neigung zur Ausbildung makroskopischer Kristallite genommen werden konnte. Bei den zweidimensionalen Konstrukten kam es zu leichten und bei linearen Konstrukten zu ausgeprägten Aggregationseffekten. Trotz ihrer ausgezeichnet filmbildenden Eigenschaften weisen die TIPSTAP-Konstrukte hohe Ordnung im Festkörper auf, was ein hohes Anwendungspotential der in dieser Arbeit dargestellten Verbindungen für photovoltaische Anwendungen verspricht.

Translation of abstract (English)

This work establishes a new concept to control the morphology of small molecular organic semiconductors. By geometrization of monomeric, highly crystalline acenes into rigid, macromolecular constructs it was possible to emphasize or to damp specific material properties. Control over the materials morphology was achieved strictly without the introduction of additional, electronically inactive substituents and only relies on the molecular shape to dictate the materials solid state interactions. In the process, conjugative and absorptive properties of the monomer are enhanced in the constructs.

Due to the lack of morphologically diverse electron acceptors for optoelectronic applications this work focused on 6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)-5,7,12-14-tetraazapentacene (TIPSTAP) as electroactive component. From the monomeric “zero dimensional” TIPSTAP, rigid, molecular constructs of different dimensionality were derived. They are electronically comparable to C60, yet morphologically exceptionally diverse, establishing structure-function relationships. It was demonstrated that the concept can be applied to an isostructural pentacene derivative (TIPSPen) and that it thus can be generalized.

In two- and especially in one dimensional constructs the solid state interactions were significantly enhanced, while they remain comparable to the monomer for the three dimensional constructs. Film forming properties were greatly enhanced in these 3D-tetramers – by the introduction of only one additional, unconjugated atom per four monomeric acenes the material lost all tendencies to crystallize into macroscopic domains. Two dimensional constructs show weak and one dimensional constructs show strong aggregation effects. Despite their exceptional film forming properties all TIPSTAP constructs exhibit high order in bulk-samples. Great potential for photovoltaic applications can be expected for these new compounds.