German Title: Untersuchung der ferroelektrischen und gleichstromleitenden Eigenschaften und deren Kopplung in organischen Ferroelektrika

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Abstract

In this work the ferroelectric and DC-conductive properties of a series of fluorinated cyclohexane compounds and organic charge transfer complexes were investigated. For the former, ferroelectric polarization switching in thin films was proven by electrical double wave and capacitance-voltage measurements in conducting and non-conducting molecular derivatives. The ferroic parameters were well described by analytical polarization switching models. A mismatch of measured and theoretical polarization values in some of the materials could be explained by the modulation of their conductivity by the ferroelectric polarization. The finding of a significant conductivity was unexpected as the materials do not contain an extended π-electron system that is commonly seen as a requirement for electronic charge transport in organics. The conductivity was characterized electrically and the influence of structural supramolecular alignment observed in atomic-force microscopy and X-ray scattering was quantified. A general set of requirements for materials to exhibit this kind of conductivity was formulated and confirmed by extension of the experimental investigation to further compounds. Furthermore, ferroelectricity was proven for two of the charge-transfer complexes and their temperature dependent conductivity suggested a neutral-ionic transition with temperature. In stark contrast to previous results, the materials displayed ferroelectric behavior on both sides of the transition that is sitting just below room temperature.

Translation of abstract (German)

In dieser Arbeit wurden die ferroelektrischen Eigenschaften und die Leitfähigkeit von einer Reihe von fluorinierten Cyclohexanverbindungen sowie von diversen organischen Ladungstransferkomplexen untersucht. Für erstere wurde ferroelektisches Schalten der Polarisation in dünnen Filmen mittels elektrischen Doppelwellenmessungen und Kapazitäts-Spannungs-Messungen für leitende und nicht-leitende Molekülderivate nachgewiesen. Die ferroelektrischen Parameter wurden durch analytische Modelle zur Schaltung der Polarisation gut beschrieben. Die Diskrepanz zwischen den gemessenen und den theoretischen Polarisationswerten in einigen dieser Materialien konnte durch die Modulation ihrer Leitfähigkeit durch die ferroelektrische Polarisation erklärt werden. Die Entdeckung einer signifikanten Leitfähigkeit war unerwartet, da die Materialien keine ausgedehntes π-Elektronen System besitzen, was gemeinhin als Voraussetzung für elektronischen Ladungstransport in organischen Materialien gesehen wird. Die Leitfähigkeit wurde elektrisch charakterisiert und der Einfluss der durch Rasterkraftmikroskopie und Röntgenstreuung beobachteten strukturellen supramolekularen Ausrichtung quantifiziert. Es wurden allgemeine Voraussetzungen formuliert, die von Materialien erfüllt werden müssen, um diese Art Leitfähigkeit zu zeigen und diese wurden durch experimentelle Untersuchungen an weiteren Materialien bestätigt. Ferroelektrizität wurde in zwei der Ladungstransferkomplexen nachgewiesen und die Temperaturabhängigkeit ihrer Leitfähigkeit deutet auf einen möglichen Übergang von der neutralen in die ionische Phase hin.