Polymer-wrapped Carbon Nanotubes for high performance field effect transistors
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Ziel des gemeinsamen Projekts mit der Arbeitsgruppe von Professor Maria Loi an der Universität Groningen/Niederlande war die Herstellung von Feldeffekttransistoren basierend auf halbleitenden Kohlenstoffnanoröhren, "carbon nanotubes". Das Umwickeln ("wrapping") von "single wall carbon nanotubes" (SWNTs) mit konjugierten Polymeren sollte genutzt werden, um zum einen eine Anreicherung von halbleitenden SWNTs (sc-SWNTs) im Material zu erreichen, und zum anderen durch die Verwendung von funktionalisierten Polymeren das gezielte Aufbringen der SWNTs auf dem Substrat zu erreichen. Ziel des von der Arbeitsgruppe Scherf bearbeiteten Projekts war daher die Bereitstellung von verschiedenen konjugierten Polymeren zur Untersuchung ihrer Eignung für das "carbon nanotube wrapping", sowie die Funktionalisierung der Polymere für die Anbindung an für die Verwendung in Feldeffekten geeignete Substrate. Dazu wurden eine Reihe von Polyfluorenen und Polythiophenen synthetisiert. Die Synthese der Fluoren-Homopolymere PF8, PF10, PF12, PF15 und PF18 ermöglichte die Untersuchung des Einflusses der Länge der Alkylseitenketten auf das carbon nantotube wrapping. Durch die Einführung von unterschiedlichen Endgruppen in die Homopolymere konnte die Wechselwirkung der umwickelten SWNTs mit verschiedenen Substraten wie z.B. Gold oder Glas untersucht werden. Alle Homopolymere wurden durch die Nickel-katalysierte Yamamoto-Kupplung in sehr guten Ausbeuten synthetisiert. Weiterhin wurde eine Reihe alternierender Fluoren-Copolymere mit funktionalisierten Seitengruppen (Amino-, Thiol-, Thioacetat- und Diethyl-phosphonat-Seitengruppen) durch Suzuki-Kreuzkupplungsreaktionen hergestellt. Die eingeführten Seitengruppen ermöglichen ebenso wie die Endgruppen der Homopolymere eine Selbstorganisation der umwickelten SWNTs auf verschiedenen Substraten. Durch die Synthese statistischer Copolymere gelang eine Variation des Einbauverhältnisses der Thioacetat-Seitengruppen. Darüber hinaus wurden auch statistische Copolymere mit Trimethoxysilyl-Seitengruppen hergestellt. Die Umsetzung von 2,7-Bis(4,4,5,5-tetramethyl-1,3-dioxaborolan-2-yl)-9,9-didodecylfluoren mit 2,5-Dibrompyridin, 5,5‘-Dibrom-2,2‘-bipyridin bzw. 3,8-Dibrom-1,10-phenanthrolin in einer Suzuki-Kreuzkupplungsreaktion lieferte alternierende stickstoffhaltige Copolymere. Des Weiteren wurden statistische Copolymere mit Fluoren- und Binaphthyl-Einheiten synthetisiert. Die Synthese dieser Polymere erfolgte durch eine Kupplungsreaktion nach Yamamoto unter Verwendung von Brombenzol als Endcapper. Analog zu den Fluoren-Homopolymeren wurden auch Thiophen-Homopolymere mit langen Alkylseitenketten synthetisiert. Durch Grignard-Metathese und anschließende Kumada-Kreuzkupplungsreaktion wurden die Polythiophene P3DDT (mit Dodecylseitenketten), P3PDT (mit Pentadecylseitenketten) und P3ODT (mit Octadecylseitenketten) sowie das Thiol-endfunktionalisierte P3DDT-SH erhalten. Mithilfe der im Projekt synthetisierten Polymere konnten unsere Partner an der Universität Groningen/Niederlande den Einfluss der Alkylseitengruppen auf die Selektivität der Polymere gegenüber SWNTs, sowie die Temperaturabhängigkeit der Selektivität untersuchen. Mit durch P3DDT selektierten sc-HiPco-SWNTs gelang darüber hinaus die Herstellung gedruckter FETs mittels Tintenstrahlverfahren. Nach Aufbringung von mehr als 6 Schichten der sc-SWNTs zeigten die FETs Lochtransport mit einer Lochmobilität von 15 cm2/Vs, welche eine der höchsten bisher veröffentlichten Lochmobilitäten in durch Tintenstrahldruck hergestellten SWNT-FETs ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Semiconducting Single-Walled Carbon Nanotubes on Demand by Polymer Wrapping. Advanced Materials, Vol. 25. 2013, Issue 21, pp. 2948–2956.
Gomulya, W., Costanzo, G. D., de Carvalho, E. J. F., Bisri, S. Z., Derenskyi, V., Fritsch, M., Fröhlich, N., Allard, S., Gordiichuk, P., Herrmann, A., Marrink, S. J., dos Santos, M. C., Scherf, U., Loi, M. A.
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Carbon Nanotube Network Ambipolar Field-Effect Transistors with 108 On/Off Ratio. Advanced Materials, Vol. 26. 2014, Issue 34, pp. 5969–5975.
Derenskyi, V., Gomulya, W., Rois, J. M. S., Fritsch, M., Fröhlich, N., Jung, S., Allard, S., Bisri, S. Z., Gordiichuk, P., Hermann, A., Scherf, U., Loi, M. A.
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Conjugated Polymer-Assisted Dispersion of Single-Wall Carbon Nanotubes: The Power of Polymer Wrapping. Accounts of Chemical Research, Vol. 47. 2014, Issue 8, pp 2446–2456.
Samanta, S. K., Fritsch, M., Scherf, U., Gomulya, W., Bisri, S. Z., Loi, M. A.
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Effect of temperature on the selection of semiconducting single walled carbon nanotubes using Poly(3-dodecylthiophene-2,5-diyl).
Carbon, Vol. 84. 2015, pp. 66–73.
Gomulya, W., Rios, J. M. S., Derinsky, V., Bisri, S. Z., Jung, S., Fritsch, M., Allard, S., Scherf, U., dos Santos, M. C., Loi, M. A.
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Anomalous Carrier Transport in Ambipolar Field-Effect Transistor of Large Diameter Single-Walled Carbon Nanotube Network. Advanced Electronic Materials, Vol. 2. 2016, Issue 2, 1500222.
Bisri , S. Z., Derenskyi , V., Gomulya , W., Salazar-Rios , J. M., Fritsch , M., Fröhlich , N., Jung , Allard, S., Scherf , U. , Loi, M. A.
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Inkjet Printed Single-Walled Carbon Nanotube Based Ambipolar and Unipolar Transistors for High-Performance Complementary Logic Circuits. Advanced Electronic Materials, Vol. 2. 2016, Issue 6, 1600094.
Bucella, S. G., Salazar-Rios, J. M., Derenskyi, V., Fritsch, M., Scherf, U., Loi, M. A., Caironi, M.
