Donor–acceptor systems in the quest for organic semiconductors

Die letzten Jahrzehnte brachten eine Vielzahl neuer organischen Halbleiter hervor, welche erfolgreich als aktive Materialien in Bauteilen eingesetzt wurden, wie zum Beispiel Feldeffekttransistoren (FET), organische Leuchtdioden (OLED), organischen Photovoltaikzellen (OPV) und Sensoren. Einige dieser Materialien haben, obwohl sich die Technolgie noch in der „Pubertät“ befindet, die minimalen Anforderungen für eine kommerzielle Anwendung erreicht, wobei jedoch vieles noch zu entdecken, erklären und verstehen bleibt. Diese Arbeit beschreibt das Design, die Synthese und Charakterisierung neuartiger halbleitender Polymere mit speziell eingestellten optoelektronischen Eigenschaften, welche effiziente ambipolare oder n-Leitung in OFET’s und OPV’s zeigen. Das Hauptziel wurde dadurch erreicht, dass sowohl die vorteilhaften Eigenschaften des planaren, elektronenarmen heterozyklischen Bausteines Thiadiazolo[3,4-g]quinoxalin als auch von Ethinbrücken, welche den Donor (D) und den Akzeptor (A) in einem D-A-Copolymer verbinden, durch systematische Optimierung ausgenutzt wurden. Neben synthetischen Herausforderungen werden in dieser Arbeit auch detailiiete Untersuchungen der optoelektronischen Eigenschaften der hergestellten konjugierten Polymere und Modellverbindungen dargelegt. Darüber hinaus beschreibt diese Arbeit erstmals ein Beispiel für ein Polymer, welches Dreifachbindungen im Polymerrückgrat enthält, und nahezu eine ausgeglichene ambipolare Ladungsträgerleitung in OFET’s zeigt. Zusätzlich werden gemischt-valente Phenothiazine, verbrückt mittels elektronenarmen pi-Brücken wie etwa Benzo[c][2,1,3]thiadiazol, und deren Elektronentransferprozesse, im Rahmen der Marcus-Hush-Theorie, untersucht.The last few decades brought along the development of many new organic semiconductors that have been successfully incorporated into “high” performance devices, such as field effect transistors (FETs), organic light emitting diods (OLEDs), organic photovoltaic cells (OPVs) and sensors. With the technology in its puberty some of the materials have reached the minimal requirements for commercialization, but there is still much to be discovered, explained and understood. The research described in this work aims to design, synthesize and characterize new semiconducting polymers with tuned optoelectronic properties, that would enable efficient ambipolar or n-type charge carriers transport for OFETs or OPVs applications. The main goal is achieved by following rational design principles meant to exploit the beneficial properties of the thiadiazolo[3,4-g]quinoxaline building block as a planar, electron deficient heterocycle and those of ethynylene pi-spacers, connecting the donor (D) and the acceptor (A) unit in a D-A copolymer. Within this frame of work, synthetic issues as well as detailed optoelectronic studies of the conjugated polymers and their corresponding model compounds are covered. Additionally, the first example of triple-bond containing polymer showing nearly balanced ambipolar charge transport characteristics when applied in an OFET is presented as well. The last part of this thesis seeks to explore, within the Marcus-Hush theory, mixed valence phenothiazines and their electron transfer processes, when connected via an electron deficient pi-bridge, such as benzo[c][2,1,3]thiadiazole