@phdthesis{Kraft2017,
  author    = {Kraft, Andreas},
  title     = {Kristalline Polymernetzwerke aus dodekatopischen [60]Fullerenderivaten},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-147262},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2017},
  abstract  = {Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine Serie von dodekatopischen [60]Fullerenhexakisaddukten, die mit zw{\"o}lf Carbons{\"a}uregruppen dekoriert sind, auf ihre Eigenschaften hin untersucht, ausgedehnte, kristalline Polymernetzwerke mit einer eventuellen Porosit{\"a}t darzustellen. Hierbei wurden die F{\"a}higkeiten der synthetisierten Dodekas{\"a}uren ausgenutzt {\"u}ber Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen und Metallkoordinationen supramolekulare Kontakte auszubilden und ausgedehnte Netzwerke zu kn{\"u}pfen. In Kapitel 2 werden zun{\"a}chst die grundlegenden physikalischen und chemischen Eigenschaften des sph{\"a}rischen [60]Fullerenmolek{\"u}ls, als Ausgangsverbindung f{\"u}r die Darstellung der supramolekularen Bausteine, vorgestellt. Insbesondere wird die chemische Funktionalisierbarkeit von C60 in verschiedenen Reaktionstypen unter Einbeziehung der selektiven, multiplen Funktionalisierbarkeit und der F{\"a}higkeit Th-symmetrische Hexakisaddukte auszubilden, beschrieben. Danach folgt in dem Unterkapitel 2.5 ein kurzer Literatur{\"u}berblick {\"u}ber das intermolekulare Vernetzen von C60 und dessen Derivaten zu gr{\"o}ßeren Molek{\"u}lverb{\"a}nden und polymeren Strukturen mit besonderem Augenmerk auf metallorganische Hybridarchitekturen, die aus funktionalisierten Fullerenen und Metallionen oder Metallclustern aufgebaut sind. Die Synthese der vier dodekatopischen, Th-symmetrischen [60]Fullerenhexakis-addukte C2-H, C3-H, C4-H und C5-H mit unterschiedlich langen Alkylketten in den Seitenarmen wird in Kapitel 4.1 beschrieben. Der Strukturtyp ist in Abbildung 114 gezeigt. Auszugsweise wird hier auch die Identifizierung der Molek{\"u}le und Kontrolle ihrer Reinheit mittels spektroskopischer Methoden vorgestellt. In Kapitel 4.2 wird die Darstellung von Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungsnetzwerken aus den synthetisierten Dodekas{\"a}uren beschrieben und deren erhaltenen Einkristallstrukturdaten diskutiert. Das Unterkapitel 4.2.2 besch{\"a}ftigt sich zus{\"a}tzlich mit der Kristallstruktur eines VAN-DER-WAALS-Netzwerkes des Dodekas{\"a}uremethylester C2- Me, welcher in situ bei Kristallisationsversuchen von C2-H erhalten wurde. Ein Vergleich der supramolekularen Netzwerke untereinander zeigt, dass das Packungsverhalten der Fullerenderivate, trotz Interaktion der Carbons{\"a}uren mit benachbarten Fullerenbausteinen und L{\"o}sungsmittelmolek{\"u}len, maßgeblich von den großen, sph{\"a}rischen Fullerengrundk{\"o}rpern bestimmt wird. Die erhaltenen Netzwerke weisen dabei alle kubisch-dichteste ABC-Packungsmuster auf, wie es auch bei reinem C60 [244] im Festk{\"o}rper oder bei den Fulleriden[214] beobachtet wird. Die unterschiedlich langen Seitenarme bestimmen dabei lediglich die Dimensionen der Packungen, eine m{\"o}gliche Verzerrung, sowie die Auspr{\"a}gungen der entstehenden Tetraeder- und Oktaederl{\"u}cken. Im Fall von C4-H richten die Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen der Carbons{\"a}uregruppen die Seitenarme aus und bilden somit ein geordnetes, por{\"o}ses Netzwerk aus. In den supramolekularen Netzwerken wird {\"u}berwiegend die Raumgruppe R 3 ̅ beobachtet, außer f{\"u}r C3-H, bei der die kritische L{\"a}nge der Seitenketten, mit der Raumgruppe P1 ̅ , eine geringere Symmetrie erzwingt. Alle dargestellten supramolekularen Netzwerke sind in Abbildung 115 zusammengefasst. Obwohl die Anzahl der S{\"a}uregruppen in den Bausteinen jeweils gleich ist, wird in jedem Wasserstoffbr{\"u}ckennetzwerk ein eigener Typus an verkn{\"u}pfenden H-Br{\"u}ckenbindungsclustern beobachtet. Bei C2-H erfolgt die Kn{\"u}pfungsbindung durch die Bereitstellung und Auff{\"u}llung von hydrophilen und hydrophoben Taschen, wobei die Distanz zwischen den S{\"a}uregruppen durch die Interkalation von L{\"o}sungsmittelmolek{\"u}len {\"u}berbr{\"u}ckt wird. In C3-H f{\"u}hrt die dreidimensionale Vernetzung {\"u}ber „S"-f{\"o}rmige S{\"a}uredimere. Und bei C4-H handelt es sich um zwei interpenetrierende Teilgitter, bei der zwei helikale H-Br{\"u}ckennetzwerke ineinander verschachtelt sind. Gem{\"a}ß der „goldenen Regel" des Kristalldesigns[212] (siehe Kapitel 4.2) maximieren die Netzwerke die Anzahl der klassischen S{\"a}uredimere mit dem steigenden Grad der geometrischen Flexibilit{\"a}t der Seitenarme. Bei C2-H sind die Arme noch zu kurz, so dass die Verkn{\"u}pfung {\"u}ber H-Br{\"u}ckencluster verl{\"a}uft. C3-H bildet mit acht Armen S{\"a}uredimere aus und C4-H verwendet alle Seitenarme f{\"u}r die Ausbildung von S{\"a}uredimeren. Der Vergleich des raumausf{\"u}llenden VAN-DER-WAALS-Netzwerkes von C2-Me mit dem H-Br{\"u}ckennetzwerk von C2-H legt zudem nahe, dass die Auspr{\"a}gung von Hohlr{\"a}umen ein Effekt der gerichteten Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen sein muss. Aktivierungsversuche der Porenstruktur des H-Br{\"u}ckennetzwerks von C4-H und die Bestimmung der inneren Oberfl{\"a}che durch Gasadsorption runden das Kapitel ab. Die innere Oberfl{\"a}che konnte auf 40 m2g-1 f{\"u}r die BET-Adsorptionsisotherme mit Stickstoff bestimmt werden. Durch den Vergleich der Pulverdiffraktogramme vor und nach der Aktivierung konnte eine Phasenumwandlung festgestellt werden, die ein Kollabieren der Poren nahelegt. Die Implementierung von Metallen und Metallclustern in die Netzwerkstrukturen der Dodekas{\"a}uren wird im Kapitel 4.3 beschrieben. Hier konnte durch den Einbau von Zinkoxid-cluster in die Netzwerke von C2-H und C3-H die Hypothese eines „inversen MOFs" aufgestellt werden. Da sich die Zinkoxid-Cluster formal in die vorhandenen H-Br{\"u}ckencluster der Fullerennetzwerke implementieren ließen, ohne dass sich das Packungsverhalten der Fullerengrundk{\"o}rper wesentlich ver{\"a}nderte, kann geschlussfolgert werden, dass die strukturdirigierende Wirkung nicht wie in der klassischen MOF-Chemie {\"u}blich vom Metall, sondern vom organischen Bestandteil ausgeht. Das heißt Metall und Ligand tauschen hier ihre Funktionalit{\"a}t in Bezug auf ihre strukturdirigierende Wirkung. Die Zink-Fullerennetzwerke sind in Abbildung 116 dargestellt. Das Prinzip des „inversen MOFs" ist jedoch nicht auf die Metallfullerennetzwerke CdC2 und CdC4 {\"u}bertragbar. Die Struktur wird hier durch hohe Bereitschaft von Cadmium mit den Carbons{\"a}uregruppen Komplexe zu bilden dominiert. Cadmium bildet „zick-zack"-f{\"o}rmige, lineare Metallstr{\"a}nge aus, an denen die Seitenarme der Fullerenbausteine {\"u}ber Koordination mit den Carbons{\"a}uregruppen aufgespannt werden. In Abbildung 117 sind die beiden erhaltenen, por{\"o}sen Cadmium-Netzwerke dargestellt. Im Netzwerk von CuC2, das in Abbildung 118 gezeigt ist, kann die strukturdirigierende Wirkung weder dem Metall, noch der Dodekas{\"a}ure zugesprochen werden. Es kommt zur Ausbildung von zweidimensionalen metallorganischen Polymeren, indem je vier Fullerenbausteine {\"u}ber ein Kupferdimer koordiniert werden. Die Koordination von zwei weiteren Kupferionen, die jeweils endst{\"a}ndig das Dimer zu einem Tetramer erweitern, f{\"u}hren zu einer vollst{\"a}ndigen Inklusion der Metallionen in das Carbons{\"a}urenetzwerk. Die freien Koordinationsstellen an den Kupferionen sind mit Wassermolek{\"u}len abges{\"a}ttigt. Daraus resultiert die Ausbildung von Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen zwischen Wasser und den Carboxylgruppen der Seitenarme und somit die Ausbildung eines dreidimensionalen Netzwerkes mit einer sehr effektiven Raumausf{\"u}llung. Abbildung 118: Das Metallfullerennetzwerk von Kupfer und C2-H zeigt eine enge Verschachtelung der Bausteine und bildet keine Hohlr{\"a}ume aus. Das Metallfullerennetzwerk CaC2, das am Ende von Kapitel 4.3 behandelt wird, stellt einen Grenzfall zwischen H-Br{\"u}cken- und Metallfullerennetzwerk dar. Die Struktur ist in Abbildung 119 gezeigt. Sie weist bez{\"u}glich der Clusterbildungen in den Oktaeder- und Tetraederl{\"u}cken viele Parallelen zu den zinkhaltigen Netzwerken ZnC2 und ZnC3 auf. Die Clusterbildung von Kalzium erfolgt jedoch nur in jeder zweiten Oktaederl{\"u}cke und die entstehenden Tetraederl{\"u}cken werden, wie in dem H-Br{\"u}ckennetzwerk von C2-H von drei Carbons{\"a}uren aus der oberen Schicht gef{\"u}llt. Die jeweils andere Oktaederl{\"u}cke bleibt hingegen frei und schließt einen Hohlraum ein. Zudem ist CaC2 ein Hybridnetzwerk, da jeweils zwei Schichten zu einer metallorganischen Doppelschicht verkn{\"u}pft sind und die Doppelschichten untereinander {\"u}ber Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungen miteinander verbunden sind. Dabei entsteht die Koordination der S{\"a}uregruppen in hydrophilen Taschen, analog zum H-Br{\"u}ckennetzwerk von C2-H. Die erhaltenen Metallfullerennetzwerke wurden jeweils durch Pulverdiffraktometrie-untersuchungen in verschiedenen Aktivierungsversuchen untersucht. Die Netzwerke ZnC2 und CaC2 haben keine sinnvoll auswertbaren BET-Adsorptionsisothermen gezeigt. Von ZnC3 konnte eine geringe innere Oberfl{\"a}che von 25 m2g-1, bei CdC2 30 m2g-1 und bei CdC4 29 m2g-1 bestimmt werden. Gr{\"o}ßere innere Oberfl{\"a}chen mit stabileren Porosit{\"a}ten k{\"o}nnen vermutlich dann erhalten werden, wenn eine M{\"o}glichkeit gefunden wird Fullerenhexakisaddukte mit rigideren Seitenarmen zu synthetisieren. Trotz des starken, multivalenten Einflusses der zw{\"o}lf S{\"a}uregruppen und ihrer Ausbildung von Wasserstoffbr{\"u}ckenbindungs- und Metallcluster, konnte beobachtet werden, dass die strukturdirigierende Wirkung in den Netzwerken von C2-H, C3-H, C4-H, ZnC2, ZnC3 und CaC2 durch die Ausbildung eines jeweils kubisch dichtesten ABC-Packungsmusters vom nanoskaligen, sph{\"a}rischen Fullerenger{\"u}st ausgeht. Es konnten in der vorliegenden Arbeit neue, vielseitige molekulare Bausteine f{\"u}r den Aufbau von dreidimensional vernetzten, kristallinen Strukturen entwickelt werden. Mit Hilfe dieser Bausteine konnten, in ihrer Komplexizit{\"a}t und ihrem Vernetzungsgrad einzigartige, Wasserstoffbr{\"u}ckennetzwerke im Einkristall untersucht werden. Durch den Einbau der oktaedrischen Bausteine in Metallfullerennetzwerke gelang hier zum ersten Mal die Implementierung von [6:0]Hexakisaddukten bei denen die isotrope, sph{\"a}rische Funktionalisierung effizient f{\"u}r eine echte, dreidimensionale Vernetzung der Fullerengrundk{\"o}rper genutzt wurde. Die wenigen bekannten fullerenhaltigen MOFs beinhalteten bisher Hexakisaddukte lediglich als lineare Linker oder waren, wie bei {[Cd(36)2](NO3)2}∞, lediglich zweidimensional verkn{\"u}pft. Die neuen, außergew{\"o}hnlichen Strukturen der Metallfullerennetzwerke wurden beschrieben und diskutiert. Die Verwendung der Dodekas{\"a}uren als dodekatopische Linkermolek{\"u}le f{\"u}hrte zus{\"a}tzlich zu einer Ausweitung der Topizit{\"a}tspalette in der MOF-Synthese, bei der bisher in der Literatur lediglich Linkermolek{\"u}le mit einer maximal oktatopischen[200] Qualit{\"a}t zum Einsatz kamen. Zus{\"a}tzlich konnte der Begriff des „inversen MOFs" eingef{\"u}hrt werden, bei dem der strukturdirigierende Einfluss vom organischen Baustein ausgeht und dadurch organischer Linker und anorganisches Koordinationszentrum ihre Funktion in der klassischen MOF-Synthese tauschen.},
  subject      = {Polymeres Netzwerk},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schafferhans2011,
  author    = {Schafferhans, Julia},
  title     = {Investigation of defect states in organic semiconductors: Towards long term stable materials for organic photovoltaics},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-57669},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {In this work, the trap states in the conjugated polymer P3HT, often used as electron donor in organic bulk heterojunction solar cells, three commonly used fullerene based electron acceptors and P3HT:PC61BM blends were investigated. Furthermore, the trap states in the blend were compared with these of the pure materials. Concerning the lifetime of organic solar cells the influence of oxygen on P3HT and P3HT:PC61BM blends was studied. The experimental techniques used to investigate the trap states in the organic semiconductors were (fractional) thermally stimulated current (TSC) and current based deep level transient spectroscopy (Q-DLTS). Fractional TSC measurements on P3HT diodes revealed a quasi-continuous trap distribution. The distribution suggested two different traps in P3HT with approximately Gaussian energy distributions and maxima at about 50 meV and 105 meV. Thereby, the former was attributed to the tail states within the regular Gaussian density of states due to the low activation energy. The latter, deeper traps, however, exhibited a strong dependence on oxygen. Exposure of the P3HT diodes to oxygen, ambient air and synthetic (dry) air all revealed an increase of the deeper traps density with exposure time in the same manner. While the lower limit of the trap density in non aged P3HT samples was in the range of (1.0 - 1.2)×10^22 m^-3, it was more than doubled after an exposure of 50 h to air. An increase of the trap density with oxygen exposure time was also seen in the Q-DLTS measurements accompanied with an increase of the temperature dependence of the emission rates, indicating an enhanced formation of deeper traps. Due to the raise in density of the deeper traps, the charge carrier mobility in P3HT significantly decreased, as revealed by photo-CELIV measurements, resulting in a loss in mobility of about two orders of magnitude after 100 h exposure to synthetic air. The increased trap density was attributed to p-doping of P3HT by the transfer of an electron to adsorbed oxygen. This effect was partially reversible by applying vacuum to the sample for several hours or, more significantly, by a thermal treatment of the devices in nitrogen atmosphere. The trap states in the methanofullerenes PC61BM, bisPC61BM and PC71BM were investigated by TSC measurements. PC61BM yielded a broad quasi-continuous trap distribution with the maximum of the distribution at about 75 meV. The comparison of the TSC spectra of the three methanofullerenes exhibited significant differences in the trap states with higher activation energies of the most prominent traps in bisPC61BM and PC71BM compared to PC61BM. This probably originates from the different isomers bisPC61BM and PC71BM consist of. Each of the isomers yields different LUMO energies, where the lower ones can act as traps. The lower limit of the trap density of all of the three investigated fullerene derivatives exhibited values in the order of 10^22 m^-3, with the highest for bisPC61BM and the lowest for PC61BM. By applying fractional TSC measurements on P3HT:PC61BM solar cells, it was shown that the trap distribution in the blend is a superposition of the traps in pure P3HT and PC61BM and additional deeper traps in the range of about 250 meV to 400 meV. The origin of these additional traps, which can not be related to the pure materials, was attributed to a higher disorder in the blend and P3HT/PC61BM interfaces. This conclusion was supported by standard TSC and Q-DLTS measurements performed on pristine and annealed P3HT:PC61BM blends, exhibiting a higher ratio of the deep traps in the pristine samples. The lower limit of the trap density of the investigated annealed solar cells was in the range of (6-8)×10^22 m^-3, which was considerably higher than in the pure materials. The influence of oxygen on P3HT:PC61BM solar cells was investigated by exposure of the devices to synthetic air under specific conditions. Exposure of the solar cells to oxygen in the dark resulted in a strong decrease in the power conversion efficiency of 60 \% within 120 h, which was only caused by a loss in short-circuit current. Simultaneous illumination of the solar cells during oxygen exposure strongly accelerated the degradation, resulting in an efficiency loss of 30 \% within only 3 h. Thereby, short-circuit current, open-circuit voltage and fill factor all decreased in the same manner. TSC measurements revealed an increase of the density of deeper traps for both degradation conditions, which resulted in a decrease of the mobility, as investigated by CELIV measurements. However, these effects were less pronounced than in pure P3HT. Furthermore, an increase of the equilibrium charge carrier density with degradation time was observed, which was attributed to oxygen doping of P3HT. With the aid of macroscopic simulations, it was shown that the doping of the solar cells is the origin of the loss in short-circuit current for both degradation conditions.},
  subject      = {Organischer Halbleiter},
  language  = {en}
}