Elastomere Polydimethylsiloxan-Endgruppen zur Erzielung von verbesserter Löslichkeit und Schmelzverarbeitbarkeit von DPP-basierten polymeren Halbleitern

• Antragstellerin: Professorin Dr. Franziska Lissel
• Fachliche Zuordnung: Polymermaterialien ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Präparative und Physikalische Chemie von Polymeren
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 436376809

Polymere Halbleiter (polymer semiconductors, PSCs), verbinden Ladungsträgermobilität mit überlegenen mechanischen Eigenschaften, und erlauben die Verarbeitung aus Lösung. Folglich sind PSC Materialien vielversprechende Kandidaten, um großflächige elektronische Anwendungen auf flexiblen Substraten zu ermöglichen, z.B für Displays, Sensoren oder Photovoltaik. Die elektronische Leistung von PSCs hat sich in den letzten Jahren erheblich verbessert, und moderne Donor-Akzeptor (D-A) Polymere erreichen jetzt routinemäßig Ladungsträgerbeweglichkeiten von mehr als 1 cm2 V-1s-1, dem klassischen mit amorphem Silizium verbundenen Grenzwert. Die Kontrolle über die physikalischen Eigenschaften der Materialien verbesserte sich jedoch nicht mit der gleichen Geschwindigkeit, und die derzeitigen Hochleistungs-PSCs leiden unter einer Reihe von Nachteilen, die eng mit der konjugierten Molekülstruktur und der halb-kristallinen Morphologie zusammenhängen, welche die hohen Ladungsträgermobilitäten ermöglichen: Die Polymerketten sind stark aggregiert, was zu spröden Filmen führt und flexible Anwendungen einschränkt, und sie sind außerdem schlecht löslich, was zu Schwankungen bei der Polymersynthese und zu einer schlechten Reproduzierbarkeit der erhaltenen Materialien und elektronischen Kennwerte führt. Die Abscheidung der PSC Materialien aus Lösung erfordert normalerweise erhöhte Temperaturen, geringe Konzentration der Tinten und den Einsatz halogenierter Lösungsmittel, was kosteneffiziente Druckprozesse behindert. Ein interessanter Herstellungsansatz wäre die lösungsmittelfreie Verarbeitung aus Polymerschmelzen, bei der giftige Lösungsmittel aus dem Prozess entfernt und eine höhere Reproduzierbarkeit und Kontrolle über die Morphologie gewährleistet werden würden. Während die Schmelzverarbeitung eine Standardtechnik in vielen Bereichen der Polymerforschung und -verarbeitung ist, wurden bislang nur wenige schmelzverarbeitbare D-A-PSCs untersucht.Bisher wurden Anpassungen der physikalischen Eigenschaften von PSCs - wie Löslichkeit, Schmelzpunkt und Zugmodul - durch Modifikationen des Grundgerüst oder der Seitenketten erreicht. Die Modifikation der Endgruppen, das „Endcap-Engineering“ könnte ein neuer strategischer Weg zur Verbesserung der physikalischen Eigenschaften, z.B. Löslichkeit und mechanischer Dehnbarkeit, sein, und zudem die Schmelzverarbeitung von PSCs ermöglichen. In diesem Projekt werden wir die Kettenenden moderner Diketopyrrolopyrrol (DPP)-basierter PSCs mit elastomeren Polydimethylsiloxan (PDMS)-Ketten modifizieren und die resultierenden Block-Copolymere zweiter Ordnung physikalisch-chemisch, elektrisch und hinsichtlich ihrer Morphologie und Phasentrennung untersuchen. Es wird erwartet, dass die mit elastomeren Endgruppen versehenen PSCs eine verbesserte Löslichkeit aufweisen, und für höhere Verhältnisse von PDMS zu PSC eine schmelzbasierte Verarbeitung ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen