TY  - THES
A1  - Dechant, Moritz Thomas
T1  - Synthese und Struktur-Eigenschaftsbeziehungen neuer Phthalocyanin-Sternmesogene – Ein neues Design für organische, flüssigkristalline Photovoltaikmaterialien
T1  - Synthesis and structure-property relationships of new phthalocyanine star mesogens - A new design for organic, liquid crystalline photovoltaic materials
N2  - Es wurde eine Vielzahl neuer, flüssigkristalliner Phthalocyanin-Sternmesogene synthetisiert. Die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen und die thermotropen Eigenschaften neuer Phthalocyanin-Sternmesogene mit Freiraum sowie von sterisch überfrachteten Verbindungen wurden insbesondere hinsichtlich der Freiraumfüllung untersucht. Diesbezüglich wurde ein neuer supramolekularer, freiraumfüllender "Klick-Prozess" zwischen einem Molekül mit Freiraum und einem sterisch überfrachteten Molekül mit vier Fullerenen beobachtet. Die photophysikalischen Eigenschaften wurden zudem insbesondere im Hinblick auf die Anwendung für die Organische Photovoltaik untersucht.
N2  - A large number of new, liquid crystalline phthalocyanine star mesogens was synthesized. The structure-property relationships and the thermotropic properties of new phthalocyanine star mesogens with free space and of sterically overcrowded compounds were investigated, whereas the space-filling was of great interest. In this regard, a new supramolecular, space-filling „click-process“ between one molecule with free space and one sterically overcrowded compound with four fullerenes was observed. The photophysical properties regarding to an application for the organic photovoltaics were investigated.
KW  - Phthalocyanin
KW  - Fullerene
KW  - Flüssigkristalle
KW  - Donor-Akzeptor-Dyaden
KW  - Sternmesogene
KW  - Freiraumfüllung
KW  - Flüssigkristall
KW  - Fotovoltaik
KW  - Fulleren
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-238888
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bahndorf, Katrin
T1  - Synthese und Charakterisierung von Aminosäure-basierten Amphiphilen und deren Umsetzung zu C\(_3\)-symmetrischen Sternmesogenen - Strukturkontrolle in weicher Materie über Oligopeptidaggregation
T1  - Synthesis and characterization of amino-acid based amphiphiles and their conversion to C\(_3\)-symmetric star mesogens - structure control in soft matter via oligopeptide aggregation
N2  - Synthese einer Bibliothek von Aminosäure-basierten Oligopeptid-Amphiphilen mittels Festphasensynthese, deren kovalente Knüpfung an einen nukleophilen Kern zu C3-symmetrischen Sternmesogenen und die Analyse der Einflüsse der verwendeten Aminosäuren auf die Sekundärstruktur des synthetisierten Moleküls.
N2  - Synthesis of a library of amino acid based oligopeptide amphiphiles by solid phase synthesis, their covalent linkage to a nucleophilic core to form C3-symmetrical star mesogens and the analysis of the influences of the used amino acids on the secondary structure of the synthesized molecule.
KW  - Organische Chemie
KW  - Flüssigkristalle
KW  - Festphasenpeptidsynthese
KW  - Aminosäuren
KW  - Organic Chemistry
KW  - Liquid Crystals
KW  - Solid Phase Peptide Synthesis
KW  - Amino Acids
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-252753
ER  - 
TY  - THES
A1  - Dörrich, Steffen
T1  - Synthese und Charakterisierung neuartiger Silicium-, Germanium- und zinnorganischer Riechstoffe
T1  - Synthesis and characterization of novel Silicon-, Germanium- and tinorganic odorants
N2  - Aufbauend auf dem Konzept der C/Si-Bioisosterie beschreibt die vorliegende Arbeit die Synthese und Charakterisierung siliciumhaltiger Derivate der Riechstoffe Galaxolide, Lilial, Bourgeonal, 5,7,7-Trimethyl-4-methylenoctanal und α-Galbanone sowie Beiträge zur Synthese eines silicium¬haltigen Derivats von δ-Damascone. Basierend auf der C/Ge- und C/Sn-Bioisosterie wurden zudem die Germa- und Stanna-Analoga von Lilial und Bourgeonal synthetisiert. Die entsprechenden Zielverbindungen sowie alle isolierten Zwischenstufen wurden durch NMR-Spektroskopie (1H, 11B, 13C, 15N, 29Si, 119Sn) und Elementaranalyse (C, H, N) charakterisiert. In einigen Fällen erfolgte zusätzlich eine Charakterisierung durch Einkristall-Röntgenstrukturanalyse oder Infrarot-Spektroskopie.
N2  - Based on the concept of the C/Si bioisosterism, this doctoral thesis describes the syntheses and characterization of silicon-containing derivatives of the odorants galaxolide, lilial, bourgeonal, 5,7,7-trimethyl-4-methyleneoctanal, and α-galbanone as well as precursors to the synthesis of a silicon-containing derivative of δ-damascone. Based on the C/Ge and C/Sn bioisosterism, the germanium and tin analogues of lilial and bourgeonal were also synthesized. The identity of the respective target compounds and their isolated precursors was established by NMR spectroscopic studies (1H, 11B, 13C, 15N, 29Si, 119Sn) and elemental analyses (C, H, N). In some cases, an additional characterization by single-crystal X-ray diffraction or infrared spectroscopy was undertaken.
KW  - Silicium
KW  - Germanium
KW  - Zinn
KW  - Riechstoff
KW  - Siliciumorganische Verbindungen
KW  - Bioisosterie
KW  - bioisosterism
KW  - galaxolide
KW  - lilial
KW  - galbanone
KW  - damascone
KW  - bourgeonal
KW  - Sila-Substitution
KW  - C/Si-Austausch
KW  - Maiglöckchen
Y1  - 2014
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-94552
ER  - 
TY  - THES
A1  - Meininger, Markus
T1  - Calcium hydroxide as antibacterial implant coating
T1  - Calciumhydroxid als antibaterielle Implantatbeschichtung
N2  - In modern medicine hip and knee joint replacement are common surgical procedures. However, about 11 % of hip implants and about 7 % of knee implants need re-operations. The comparison of implant registers revealed two major indications for re-operations: aseptic loosening and implant infections, that both severely impact the patients’ health and are an economic burden for the health care system. To address these problems, a calcium hydroxide coating on titanium was investigated in this thesis. Calcium hydroxide is a well-known antibacterial agent and used with success in dentistry. The coatings were applied with electrochemically assisted deposition, a versatile tool that combines easiness of process with the ability to coat complex geometries homogeneously. The pH-gradient during coating was investigated and showed the surface confinement of the coating process. Surface pre-treatment altered the surface morphology and chemistry of the titanium substrates and was shown to affect the morphology of the calcium hydroxide coatings. The influence of the coating parameters stirring speed and current pulsing were examined in various configurations and combinations and could also affect the surface morphology. A change in surface morphology results in a changed adhesion and behavior of cells and bacteria. Thus, the parameters surface pre-treatment, stirring speed and current pulsing presented a toolset for tailoring cellular response and antibacterial properties. Microbiological tests with S. aureus and S. epidermidis were performed to test the time-dependent antibacterial activity of the calcium hydroxide coatings. A reduction of both strains could be achieved for 13 h, which makes calcium hydroxide a promising antibacterial coating. To give insight into biofilm growth, a protocol for biofilm staining was investigated on titanium disks with S. aureus and S. epidermidis. Biofilm growth could be detected after 5 days of bacterial incubation, which was much earlier than the 3 weeks that are currently assumed in medical treatment. Thus, it should be considered to treat infections as if a biofilm were present from day 5 on. The ephemeral antibacterial properties of calcium hydroxide were further enhanced and prolonged with the addition of silver and copper ions. Both ionic modifications significantly enhanced the bactericidal potential. The copper modification showed higher antibacterial effects than the silver modification and had a higher cytocompatibility which was comparable to the pure calcium hydroxide coating. Thus, copper ions are an auspicious option to enhance the antibacterial properties. Calcium hydroxide coatings presented in this thesis have promising antibacterial properties and can easily be applied to complex geometries, thus they are a step in fighting aseptic loosening and implant infections.
N2  - Der Fortschritt in der modernen Medizin ist so weit, dass Hüft- und Kniegelenkersatz mit Implantaten heutzutage Standardoperationen sind. Allerdings kommt es in circa 11 % des Hüftgelenkersatzes und 7 % des Kniegelenkersatzes zu nicht zufriedenstellenden Ergebnissen und Revisionen sind nötig. Der Vergleich von Implantationsregistern zeigte zwei Hauptindikatoren für Revisionen: aseptische Lockerung und Implantatinfektionen, welche die Gesundheit der Patienten stark beeinträchtigen und eine wirtschaftliche Belastung für das Gesundheitssystem darstellen. Um diese Probleme anzugehen, wurde Calciumhydroxid auf Titan als Beschichtung aufge- bracht und in dieser Arbeit untersucht. Calciumhydroxid ist ein bekanntes antibakterielles Material und wird erfolgreich in der Zahnheilkunde eingesetzt. Die Beschichtungen wurden mit elektrochemisch gestützter Abscheidung aufgebracht, da diese Methode einen einfachen Prozess mit der Möglichkeit vereint, komplexe Geometrien homogen zu beschichten. In dieser Arbeit wurde der pH-Gradient während der Beschichtung untersucht und zeig- te die Beschränkung des Beschichtungsprozesses auf die direkte Oberfläche der Probe. Eine Vorbehandlung der Titansubstrate veränderte die Morphologie und die Chemie der Oberflä- chen und dadurch auch die Morphologie der Calciumhydroxidbeschichtung. Der Einfluss der Beschichtungsparameter Rührgeschwindigkeit und Pulsen des Stroms wurden in zahlreichen Konfigurationen und Kombinationen getestet und konnte ebenfalls die Oberflächenmorphologie verändern. Die Oberflächenmorphologie wiederum beeinflusst die Adhäsion und das Verhalten von Zellen und Bakterien. Deshalb sind die Parameter Oberflächenvorbehandlung, Rührge- schwindigkeit und Pulsen des Stroms ein Instrument für das Einstellen einer angepassten Zellantwort und der antibakteriellen Eigenschaften. Mikrobiologische Tests mit S. aureus und S. epidermidis wurden unternommen, um die Zeitabhängigkeit der antibakteriellen Aktivität auf Calciumhydroxidbeschichtungen zu bestimmen. Eine Reduktion beider Stämme konnte nach 13 h erreicht werden, was Calciumhydroxid zu einer erfolgversprechenden antibakteriellen Beschichtung macht. Um einen Einblick in das Wachstum von Biofilmen zu geben, wurde ein Protokoll zur Biofilm- Färbung auf Titanplättchen mit S. aureus und S. epidermidis entwickelt. Biofilm-Wachstum konnte nach 5 Tagen Bakterien-Inkubation detektiert werden, was sehr viel früher war als die 3 Wochen, die aktuell bei der Behandlung von Implantatinfektionen angenommen werden. Folglich muss schon nach 5 Tagen darüber nachgedacht werden, Behandlungsmethoden gegen einen Biofilm anzuwenden. Die kurzzeitigen antibakteriellen Eigenschaften von Calciumhydroxid konnten durch den Zusatz von Silber- und Kupferionen weiter verbessert und verlängert werden. Beide Ionen erhöhten die antibakterielle Wirkung signifikant. Die Kupfermodifikation zeigte dabei einen größeren antibakteriellen Effekt als die Silbermodifikation und war gleichzeitig besser zell- verträglich. Die Zytokompatibilität der Kupfermodifikation lag auf dem Niveau der reinen Calciumhydroxidbeschichtungen. Deshalb sind Kupferionen eine vielversprechende Möglichkeit für eine weitere Verbesserung der antibakteriellen Eigenschaften. Die in dieser Arbeit vorgestellten Calciumhydroxidbeschichtungen haben ein großes Potential als antibakterielle Oberflächen und können sehr leicht auch auf komplizierte Geometrien aufgebracht werden. Deshalb können sie ein entscheidender Baustein bei der Vermeidung von aseptischer Lockerung und Implantatinfektionen sein.
KW  - Calciumhydroxid
KW  - Implantat
KW  - Beschichtung
KW  - antibakteriell
KW  - antibacterial
KW  - implant
KW  - coating
KW  - calciumhydroxide
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-261122
ER  - 
TY  - THES
A1  - Brückner [geb. Christel], Theresa
T1  - Novel application forms and setting mechanisms of mineral bone cements
T1  - Neuartige Anwendungsformen und Abbindemechanismen mineralischer Knochenzemente
N2  - Calcium phosphate cements (CPC) represent valuable synthetic bone grafts, as they are self-setting, biocompatible, osteoconductive and in their composition similar to the inorganic phase of human bone. Due to their long shelf-life, neutral setting and since water is sufficient for setting, hydroxyapatite (HA) forming cements are processed in different paste formulations. Those comprise dual setting, Ca2+ binding and premixed cement systems. With dual setting formulations, both dissolution and precipitation of the cement raw powder occur simultaneously to the polymerization of water-soluble monomers to form a hydrogel. Chelating agents are able to form complexes with Ca2+ released from the raw powder. Premixed systems mostly contain the raw powder of the cement and a non-aqueous binder liquid which delays the setting reaction until application in the moist physiological environment. In the present work, two of those reaction mechanisms allowed the development of HA based cement applications.
Drillable cements are of high clinical interest, as the quality of screw and plate osteosynthesis techniques can be improved by cement augmentation. A drillable, dual setting composite from HA and a poly(2-hydroxyethyl methacrylate) hydrogel was analyzed with respect to the influence of monomer content and powder-to-liquid ratio on setting kinetics and mechanical outcome. While the conversion to HA and crystal growth were constantly confined with increased monomer amount, a minimum concentration of 50 % was required to see impressive ameliorations including a low bending modulus and high fracture energy at improved bending strength. Increasing the liquid amount enabled injection of the paste as well as drilling after 10 min of pre-setting.
While classic bone wax formulations have drawbacks such as infection, inflammation, hindered osteogenesis and a lack of biodegradability, the as-presented premixed formulation is believed to exhibit outmatching properties. It consisted of HA raw powders and a non-aqueous, but water-miscible carrier liquid from poly(ethylene glycol) (PEG). The bone wax was proved to be cohesive and malleable, it withstood blood pressure conditions and among deposition in an aqueous environment, PEG was exchanged such that porous, nanocrystalline HA was formed. Incorporation of a model antibiotic proved the suitability of the novel bone wax formulation for drug release purposes.
Prefabricated laminates from premixed carbonated apatite forming cement and poly(ε-caprolactone) fiber mats with defined pore architecture were presented as a potential approach for the treatment of 2-dimensional, curved cranial defects. They are flexible until application and were produced in a layer-by-layer approach from both components such that the polymer scaffold prevents the cement from flowing. It was demonstrated that solution electrospinning with a patterned collector for the fabrication of perforated fiber mats was suitable, as high fiber volume contents in combination with an appropriate interface enabled the successful fabrication of mechanically reinforced laminates. Mild immersion of the scaffolds under alkaline conditions additionally improved the interphase followed by an increase in bending-strength.
Since few years, magnesium phosphate cements (MPC) have attracted increasing attention for bone replacement. Compared to CPC, MPC exhibit a higher degradation potential and high early strength and they release biologically valuable Mg2+. However, common systems offer some challenges while using them in non-classic cement formulations such as the need for foreign ion supply, the potential acidity of the reaction or the fast setting kinetics. Here, it was possible to develop a chelate-setting MPC paste with a broad spectrum of potential applications.
The general mechanism of the novel setting principle was tested in a proof-of-principle manner. The cement paste consisted of farringtonite with differently concentrated phytic acid solution for chelate formation with Mg2+ from the raw powder. Adjusting the phytic acid content and adding a magnesium oxide as setting regulator to compensate its retarding effect resulted in drillable formulations. Additionally, there is a strong clinical demand for well working bone adhesives especially in a moist environment. Mostly the existing formulations are non-biodegradable.  Ex vivo adhesion of the above presented MPC under wet conditions on bone demonstrated over a course of 7 d shear strengths of 0.8 MPa. Further, the hardened cement specimens showed a mass loss of 2 wt.% within 24 d in an aqueous environment and released about 0.17 mg/g of osteogenic Mg2+ per day. Together with the demonstrated cytocompatibility towards human fetal osteoblasts, this cement system showed promising characteristics in terms of degradable biocements with special application purposes.
N2  - Calciumphosphatzemente (CPC) stellen ein bedeutsames Knochenersatzmaterial dar, da sie selbstabbindend, biokompatibel, osteokonduktiv und der anorganischen Komponente humanen Knochens ähnlich sind. Durch ihre Lagerstabilität, neutrale Abbindereaktion und da Wasser zum Abbinden ausreicht, werden Hydroxylapatit (HA) bildende Zemente in dual abbindenden, Ca2+ chelatisierenden und vorgefertigten Zementen, verarbeitet. Bei dual abbindenden Formulierungen findet die Lösungs-Fällungs-Reaktion zeitgleich zur Polymerisation wasserlöslicher Monomere zu einem Hydrogel statt. Chelatbildner können mit aus dem Rohpulver freigesetzten Ca2+ Komplexe bilden. Vorgefertigte Zemente enthalten eine nicht-wässrige Trägerflüssigkeit, welche die Abbindereaktion bis zur Anwendung des Zements im feuchten Milieu verzögert. In der vorliegenden Arbeit wurden zwei dieser Reaktionsmechanismen zur Entwicklung HA basierter Anwendungsformen eingesetzt.
Bohrbare Zemente sind von klinischem Interesse, da die Qualität einer Schrauben- oder Plattenosteosynthese durch Augmentation mit Zement verbessert werden kann. Bei einem bohrbaren, dual abbindenden Komposit aus HA und einem Poly-2-Hydroxyethylmethacrylat Hydrogel wurde der Einfluss des Monomergehalts und des Pulver-zu-Flüssigkeits-Verhältnisses auf die Abbindekinetik und mechanischen Eigenschaften untersucht. Während die Umwandlung zu HA und das Kristallwachstum mit zunehmendem Monomergehalt reduziert wurden, war eine minimale Konzentration von 50 % nötig, um signifikante Verbesserungen des Bruchverhaltens im Sinne eines niedrigen Biegemoduls und einer hohen Bruchenergie bei gesteigerter Biegefestigkeit nachzuweisen. Wurde der Flüssigkeitsgehalt erhöht, so konnte die Paste injiziert und nach 10 min des Abbindens gebohrt werden.
Während klassische Knochenwachsformulierungen Infektionen, Entzündungen, gehinderte Knochenneubildung und mangelhafte Bioabbaubarkeit vorweisen, zeigt die hier dargestellte Formulierung überlegene Eigenschaften. Sie bestand aus HA-Rohpulvern und einer nicht-wässrigen, mit Wasser mischbaren Trägermasse aus Polyethylenglycol (PEG). Es wurde gezeigt, dass das Wachs kohäsiv und knetbar ist und Blutdruckbedingungen standhält. Bei Kontakt mit einer wässrigen Phase wurde das PEG diffusiv mit Wasser ausgetauscht, so dass ein poröser, nanokristalliner HA präzipitierte. Die Einbettung eines Modell-Antibiotikums bestätigte zudem die Eignung des neuartigen Wachses als Wirkstoffdepot.
Als eine mögliche Behandlung von 2-dimensionalen, gekrümmten Defekten der Schädeldecke wurden präfabrizierte Laminate aus lagerstabiler, Carbonatapatit bildender Zementpaste und Polycaprolakton-Fasermatten mit definierter Porenarchitektur vorgestellt. Diese sind bis zu ihrer Anwendung flexibel und wurden durch einen schichtweisen Aufbau aus beiden Komponenten erzeugt, so dass der Polymerscaffold den Zement am Zerfließen hindert. Es wurde gezeigt, dass die Herstellung makroporöser Fasermatten durch Elektrospinnen aus der Lösung mittels eines perforierten Kollektors geeignet war, da der hohe Faservolumengehalt und angemessene Grenzflächeneigenschaften die erfolgreiche Herstellung mechanisch verstärkter Laminate ermöglichte. Bei milder Behandlung der Scaffolds mit alkalischer Lösung wurden die Grenzflächeneigenschaften weiter verbessert, was zu einer Steigerung der Biegefestigkeit führte.
Seit einigen Jahren geht der Trend der Knochenzementforschung immer stärker in Richtung von Magnesiumphosphatzementen (MPC), da diese verglichen mit CPC ein erhöhtes Degradationspotential, eine hohe initiale Festigkeit, sowie die Freisetzung biologisch wertvoller Mg2+ aufweisen. Jedoch stellen gängige Systeme hohe Anforderungen bei der Verwendung in nicht-klassischen Zementen wie z.B. der Bedarf an Fremdionen und die saure sowie schnelle Abbindereaktion. Dennoch war es möglich, einen chelatisierenden MPC zu entwickeln, welcher ein breites Spektrum an möglichen Anwendungsformen bot.
In einer Machbarkeitsstudie wurde untersucht, ob das Abbindeprinzip funktioniert. Die Paste bestand aus Farringtonit und unterschiedlich konzentrierter Phytinsäure. Diese sollte mit freigesetzten Mg2+ komplexieren. Durch Anpassung der Phytinsäurekonzentration und Zugabe von Magnesiumoxid als Abbindemodulator wurden bohrbare Formulierungen erhalten. Neben der Bohrbarkeit sind auch adhäsive Eigenschaften der Zemente im feuchten Milieu von klinischem Interesse, wobei kommerziell erhältliche Systeme meist nicht bioabbaubar sind. Daher wurde die ex vivo Klebehaftung dieses MPC nach 7 d unter nassen Bedingungen auf Knochen analysiert, wobei sich eine Abscherfestigkeit von 0.8 MPa ergab. Des Weiteren zeigten diese Zemente einen Masseverlust von 2 Gew.% innerhalb von 24 d in wässriger Umgebung, sowie die Freisetzung von 0.17 mg/g an osteogenen Mg2+ pro Tag. Zusammen mit der bestätigten Zytokompatibilität bezüglich humaner fetaler Osteoblasten ist dieses System vielversprechend für die Anwendung als abbaubarer Biozement für unterschiedliche klinische Zwecke.
KW  - Knochenzement
KW  - Calciumphosphat
KW  - Magnesiumphosphate
KW  - Verbundwerkstoff
KW  - Chelatbildner
KW  - dual setting
KW  - dual abbindend
KW  - premixed
KW  - präfabriziert
KW  - bone wax
KW  - Knochenwachs
KW  - drillable
KW  - bohrbar
KW  - bone adhesive
KW  - Knochenkleber
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-157045
ER  - 
TY  - THES
A1  - Herbst [geb. Höhne], Stefanie
T1  - Liquid Crystalline Perylene Bisimide Assemblies
T1  - Flüssigkristalline Perylenbisimid Strukturen
N2  - Thus, the main focus of this thesis was to generate and investigate new one-dimensional LC PBI J-aggregates of an entirely new PBI organization with the transition dipole moments of the chromophores arranged parallel to the columnar axis and in slipped pi-pi stacking fashion to form highly fluorescent J-aggregates. Towards this goal, the tetra-bay substituted PBI 4c bearing free NH functional groups at the imide positions and four dendrons with branched ethylhexyl alkoxy chains at the meta-position of the phenoxy spacer (Figure 8.1a) was synthesized and compared to a literature known reference PBI 1. The mesogenic dendrons ensure LC character of the dye, which was confirmed by POM, DSC and extensive X-ray analysis. Furthermore, the sterically demanding bay-substituents prevent the cofacial assembly of the chromophores and force the dyes into a slipped pi-stacked order with the main transition dipole moments of the dyes oriented parallel to the columnar axis. X-ray analysis revealed that PBI 4c assembles into columnar triple-stranded helices consisting of side-to-side stacked molecules, which organize into a Colh phase (Figure 8.1b). FT-IR experiments of a thin film and aggregates in MCH solution confirmed the formation of H-bonds between the imide moieties. Temperature-dependent investigations furthermore proved a reversible formation of H-bonds and polarized FT-IR experiments finally gave evidence for the direction of the H-bonds along the shearing respective the columnar axis (Figure 8.1c). This was additionally verified by polarized UV-Vis absorption studies of aligned thin films. The changes in the UV-Vis absorption spectra of concentration- and temperature-dependent experiments in MCH are in agreement with the formation of J-aggregates and could be fitted to a nucleation-elongation growth mechanism. Remarkably, fluorescence spectroscopy studies revealed highly emissive aggregates in solution. These various spectroscopic techniques proved the utilization of directional noncovalent forces like hydrogen-bonding and pi-pi interactions in a cooperative manner forcing the PBI molecules in an unprecedented organization of a slipped pi-stacked arrangement with the orientation of the molecular axis and the respective transition dipole moments parallel to the columns of the LC phase. By the group of Dietrich the formation of exciton-polaritons in imprinted LC pillar microcavities as consequent use of the LC 4c was reported for the first time.In the second part of this thesis the hierarchical organization of LC PBIs into defined single-, double-, triple- and quadruple-stranded J-aggregates within crystalline and columnar LC phases, partially arranged in helical supramolecular structures in dependence of the molecular design was demonstrated. This was achieved via the preparation of a library of twelve molecules PBI 3-6(a-c) (Figure 8.2a) that was synthesized by varying the substitution position of the dendrons at the phenoxy-spacer from ortho to meta or para and by introducing an additional methyl group in ortho-position. Also the length and shape of the alkoxy chains was changed. Consequently, the impact of the sterical demand of the bay substituents concerning their phase properties, molecular arrangement and exciton coupling was investigated. POM, DSC and X-ray studies revealed the formation of only crystalline phase for the ortho-substituted PBIs 3a-c, whereas the other derivatives generated SC or LC phases. The main focus was the series with the n-C12-alkoxy chains. For the corresponding PBIs 4-6b columnar LC phases were confirmed. Retrostructural analysis by modelling and simulations gave indications for a single stranded organization for PBI 3b, a double-stranded helix for PBI 6b, a triple-stranded helical arrangement for PBI 5b and a quadruple-stranded helix for PBI 4b (Figure 8.2b-d). For all four derivatives the same molecular orientation within the columns as for PBI 4c was proven by polarized FT-IR and UV-Vis absorption studies in aligned thin films. The organization in helices of different number of strands in the Cr and LC phases of PBI 3b, 4b, 5b and 6b offered a unique possibility to elucidate the influence of particular packing arrangements on dye aggregate interactions with light. In particular, it can be investigated how exciton coupling of the dyes’ transition dipole moments and fluorescence properties are affected. In this context, the spectroscopic properties were investigated in thin film, which revealed a strong bathochromic shift of the absorption maxima compared to the monomers in solution in dependence on the number of strands for PBIs 4-6b in contrast to PBI 3b (Figure 8.2e). The same tendency was observed for the respective aggregates in MCH solution. The spectral changes obtained during concentration- and temperature-dependent UV-Vis absorption studies verified the formation of J-aggregates in MCH solution and solid state. The respective aggregates are highly likely formed via a nucleation-elongation growth mechanism. Appliance of Kasha’s exciton theory on the supramolecular aggregates revealed different contributions of H- and J-type coupling for the oligo-stranded helices. Under these considerations, it delivered an explanation for the absorption and fluorescence properties of the assemblies and declares the “best” J-aggregate for the double stranded arrangement of PBI 6b with purely negative couplings among neighbour molecules and a quantum yield above 74 % of the aggregates in MCH solution. With this H-bonded PBI-based library approach of twelve derivatives it could be shown how molecular engineering of perylene bisimide dyes can be used to design defined, complex supramolecular assemblies with unprecedented packing patterns and concomitant intriguing spectroscopic properties. 
So far, the formation of defined liquid crystalline supramolecular structures of tetra-bay substituted PBIs by double H-bonding between free imide moieties and pi-pi interactions between the chromophores was demonstrated. The impact of the H-bonds on the molecular arrangement was investigated in the next part of this thesis. In this regard, PBIs 7 and 8 bearing a methyl or cyclohexyl group at the imide position (Figure 8.3a) were synthesized and compared to PBI 4c. The soft character of the solid state for PBIs 7 and 8 was confirmed by POM, DSC and X-ray analysis. The X-ray studies further revealed for both PBIs a change of the molecular assembly towards helical columnar structures of conventional pi-stacked chromophores (Figure 8.3b) when the directed H-bonds cannot contribute as noncovalent interactions to the assembly formation. Temperature-dependent UV-Vis absorption studies demonstrated the importance of H-bonding in MCH solution in the way that the formation of J-aggregates as for PBI 4c could not be observed for the imide substituted molecules. In the next step, the spectroscopic properties in thin film were investigated. For PBI 7 a J-type band and fluorescence spectra with an enlarged Stokes shift and increased fluorescence lifetime of 11.4 ns, compared to PBI 4c, was obtained, suggesting the generation of excimer type emission by considering the assumed conventional stacking of rotational displaced molecules from X-ray analysis. With polarized UV-Vis absorption experiments the orientation of the molecules perpendicular to the shearing direction and subsequently to the columnar axis was confirmed. These diverse investigations clearly demonstrated the imperative of H-bonds for stable, defined, LC J-aggregates with the transition dipole moments parallel to the columnar axis. With PBIs 7 and 8 it is impressively shown how small changes in the molecular structure influence the molecular arrangement dependent on the cooperation of non-covalent interactions like H-bonding and pi-pi stacking.
In the last part of this thesis the generation of two-dimensional LC arrangements is presented. Since tetra-bay substituted PBIs lead always to twisted cores preventing lamellar arrangement, here 1,7-disubstitution and the simultaneous retention of the free imide positions was chosen to generate LC lamellar phases of PBIs 9a, 9b and 10 (Figure 8.4a). This molecular design was expected to form planar perylene cores that can strongly interact by pi-pi stacking and H-bonding. POM, DSC and X-ray investigations of the compounds suggest lamellar LC phases for PBIs 9a and 9b and a soft phase for PBI 10. In this regard, the goal of the formation of LC lamellar phase of PBIs could be attained. The change from dendrons with n-C12-alkoxy chains to large fork-like mesogens like in 9b clearly changed the phase properties. PBI 9b exhibits the lowest clearing point, high phase stability, least viscosity, easy shearability at room temperature and phase transitions between lamellar and Colh phases dependent on temperature. The formation of H-bonds parallel to the layers was demonstrated by polarized FT-IR experiments for all three PBIs. Concentration-dependent UV-Vis absorption studies revealed the formation of a J-type aggregate, which seems to exhibit an overall two-dimensional structure. With STM investigations the formation of lamellar structures from drop-casted 9a and 10 solutions in 1-phenyloctane on HOPG surface could be observed. Figure 8.4b illustrates a schematic possible arrangement of the molecules in the layers (here exemplarily demonstrated for PBI 9a), which has to be further confirmed by modelling and simulations. Unfortunately, fluorescence investigations of the thin films revealed non- or only slightly emissive LC states, which make them negligible for photonic applications. Nevertheless, the synthesized and analyzed compounds might be an inspiration for further investigations on the path to two-dimensional exciton transport for photonic devices.
N2  - Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit war daher darauf gerichtet, eindimensionale flüssigkristalline J-Aggregate zu erzeugen und zu untersuchen, die eine vollkommen neue Anordnung von Perylenbisimiden aufweisen und deren Übergangsdipolmomente parallel zur Säulenachse ausgerichtet sind. Um stark fluoreszierende J-Aggregate zu bilden, sollen die Moleküle zudem in einer zueinander verschobenen pi-pi-Stapelung angeordnet sein.
Um dieses Ziel zu erreichen, wurde zunächst das vierfach bucht-substituierte PBI 4c synthetisiert und mit dem literaturbekannten Referenzmolekül (PBI 1) verglichen. Das PBI 4c weist dabei freie NH-Gruppen in den Imidpositionen und vier verästelte Substituenten in der meta-Position der Phenoxygruppe auf (Abbildung 1a). Die Substituenten bestehen dabei aus jeweils drei verzweigten Ethylhexyl-Alkoxyketten. Diese mesogenen Substituenten stellen den flüssigkristallinen Charakter des Farbstoffmoleküls sicher, was durch POM, DSC und umfassende Röntgenstrukturuntersuchungen bestätigt werden konnte. Weiterhin verhindern die sterisch anspruchsvollen Buchtsubstituenten eine cofaciale Anordnung der Chromophore und zwingen die Farbstoffmoleküle in zueinander verschobene, pi-gestapelte Packungsstrukturen, in denen die Übergangsdipolmomente der Perylenbisimide parallel zur Säulenachse angeordnet sind. Die Analyse der Röntgenstrukturuntersuchungen zeigt die Bildung säulenartiger, drei-strängiger Helices, die sich aus vertikal gestapelten Molekülen zusammensetzen und sich letztendlich in einer hexagonalen flüssigkristallinen Phase anordnen (Abbildung 1b). FT-IR-Experimente dünner Schichten und der Aggregate in MCH-Lösungen bestätigen, dass zwischen den Imidgruppen in der flüssigkristalline Phase und der Aggregate in Lösung die gleiche Art von Wasserstoffbrückenbindungen existiert. Durch polarisierte FT-IR-Experimente und temperaturabhängige Untersuchungen konnte weiterhin gezeigt werden, dass die Wasserstoffbrückenbindungen in diesen Systemen zum Einen entlang der Scherrichtung und der Säulenachse ausgerichtet sind und deren Bildung zum Anderen reversibel ist. Die Ausrichtung wurde zusätzlich durch polarisierte UV-Vis-Absorptionsuntersuchungen an gerichteten Dünnschichten bestätigt. Die spektralen Änderungen in konzentrations- und temperaturabhängigen UV-Vis-Absorptionsstudien in MCH stimmen mit der Bildung von J-Aggregaten überein. Die Daten konnten durch Ausgleichskurven einem kooperativen (Kernbildungs-Verlängerungs-) Mechanismus zugeordnet werden. Bemerkenswerterweise zeigten Fluoreszenzuntersuchungen, dass die Aggregate in Lösung sehr stark emittieren. Die verwendeten spektroskopischen Untersuchungsmethoden beweisen die strukturellen Einflussmöglichkeiten über gerichtete, nicht-kovalente Kräfte wie Wasserstoff-brückenbindungen und pi-pi-Wechselwirkungen in einem kooperativen Zusammenspiel zur gezielten Bildung einer bisher unbekannten Molekülanordnung in Flüssigkristallen. In dieser neuen Struktur sind die Moleküle zueinander verschoben pi-gestapelt und mit der Molekülachse und dem entsprechenden Übergangsdipolmomentes parallel zur Säulenachse ausgerichtet. Unter Verwendung von PBI 4c konnten unsere Kooperationspartner in der Technischen Physik der Universität Würzburg in der Folge erstmalig über die Bildung von Exziton-Polaritonen in aufgedruckten, flüssigkristallinen Säulenmikrokavitäten berichten.[175]
Im zweiten Teil dieser Arbeit wird gezeigt, wie sich durch molekulares Design definierte ein-, zwei-, drei- und viersträngige J-Aggregate innerhalb kristalliner oder kolumnarer flüssigkristalliner Phasen bilden. Diese Aggregate bilden hierarchisch aufgebaute, supramolekulare Strukturen, die sich zu einem großen Teil in Helices organisieren. Hierfür wurden Verbindungen für eine Bibliothek, bestehend aus zwölf Molekülen PBI 3-6(a-c) (Abbildung 2a), synthetisiert, indem die Position der verästelten Substituenten an den Phenoxygruppen zwischen ortho, meta und para variiert wurde. Zusätzlich wurde noch eine Methylgruppe in ortho-Position eingeführt sowie sowohl die Länge als auch die Art der Alkoxyketten geändert. Anschließend wurde der Einfluss des sterischen Anspruchs der Buchtsubstituenten in Bezug auf die Eigenschaften der Phasen, der Molekülanordnung und der Exzitonenkopplung untersucht. POM, DSC and Röntgenstrukturanalysen bestätigten, dass die ortho-substituierten PBIs 3a-c nur kristalline Phasen ausbildeten, wohingegen die anderen Derivate sowohl weichkristalline als auch flüssigkristalline Phasen generierten. Der Fokus lag dabei auf der Untersuchung der Serie mit n-C12-Alkoxyketten und ergab die Bildung säulenartiger, flüssigkristalliner Phasen für alle drei PBIs 4-6b. Das Erstellen von Aggregatmodellen unter Verwendung der röntgenkristallografischen Daten und die Simulation von Röntgenbeugungsbildern mit Hilfe dieser Modelle ergaben eindeutig die Bildung einer einsträngigen Molekülanordnung für PBI 3b, eine Doppelstranghelix für PBI 6b, eine dreisträngige, helikale Anordnung für PBI 5b und einer viersträngigen Helix von PBI 4b (Abbildung 2b-d). Polarisierte FT-IR und UV-Vis Absorptionsexperimente bewiesen für alle vier Derivate die gleiche molekulare Orientierung in gerichteten dünnen Schichten wie bereits für PBI 4c. Die aus den Röntgenmessungen hergeleiteten Anordnungen in Helices bestehend aus einer unterschiedlichen Anzahl von Strängen in kristallinen und flüssigkristallinen Phasen von PBI 3-6b eröffneten eine einzigartige Möglichkeit, den Einfluss der molekularen Packung auf die Wechselwirkungen der Farbstoffaggregate mit Licht aufzuklären. Im Besonderen sollte dabei der Einfluss in Bezug auf die Exzitonenkopplung der Übergangsdipolmomente der Farbstoffmoleküle in UV-Vis-Absorptionsspektren und Fluoreszenzeigenschaften untersucht werden. In diesem Zusammenhang wurden die spektroskopischen Eigenschaften der Derivate in Dünnschichten untersucht. Mit Ausnahme von  PBI 3b wurde eine stark bathochrome Verschiebung der Absorptionsmaxima in Abhängigkeit der Anzahl der Stränge im Vergleich zu den Absorptionsmaxima der entsprechenden Monomere in Lösung beobachtet (Abbildung 2e). Die gleiche Tendenz konnte auch für die entsprechenden Aggregate in Lösung beobachtet werden. Die festgestellten spektralen Änderungen in konzentrations- und temperatur-abhängigen Absorptionsstudien in MCH-Lösungen bestätigten die Bildung von J-Aggregaten sowohl in Lösung als auch in der Festphase. Die Anwendung von Kashas Exzitonentheorie auf die supramolekularen Aggregate zeigte, dass H- und J-Kopplungen in unterschiedlichen Teilen bei den mehrsträngigen Helices auftreten. Diese Ergebnisse lieferten auch eine Erklärung für die Absorptions- und Fluoreszenzeigenschaften der Aggregate und ergaben, dass die doppelsträngige Helix von PBI 6b mit einer Fluoreszenzquantenausbeute von über 74 % das „beste“ J-Aggregat aller getesteten Derivate bildet, da in diesem nur Anteile reiner J-Kopplungen („negativer“ Kopplungen) zwischen benachbarten Molekülen auftreten. Durch den Ansatz einer Bibliothek von zwölf über Wasserstoffbrücken verbundener PBIs konnte gezeigt werden, inwieweit der zielgerichtete strukturelle Aufbau von PBI-Farbstoffmolekülen genutzt werden kann, um definierte, hochkomplexe Strukturen mit einer bisher unbekannten molekularen Anordnung und gleichzeitig sehr interessanten spektroskopischen Eigenschaften zu erzeugen.
Bis hier wurde gezeigt, wie definierte, flüssigkristalline, supramolekulare Strukturen von vierfach buchtsubstituierten PBIs durch das Zusammenwirken von Wasserstoffbrücken-bindungen zwischen den Imidpositionen und pi-pi-Wechselwirkungen zwischen den Chromophoren gebildet werden können. Der Einfluss der Wasserstoffbrückenbindungen sollte dabei im nächsten Teil näher untersucht werden. Diesbezüglich wurden PBI 7 und 8 synthetisiert, die entsprechend jeweils Methyl- oder Cyclohexylgruppen in den Imidpositionen tragen (Abbildung 3a). Anschließend wurden diese mit PBI 4c verglichen. POM, DSC und Röntgenstrukturuntersuchungen bestätigten die Bildung einer weichen Phase für PBI 7 und 8. Weiterhin ergaben die Röntgenbeugungsexperimente für beide PBIs eine Änderung der molekularen Anordnung zu helikalen, säulenartigen Aggregaten, in denen die Chromophore pi-gestapelt organisiert sind (Abbildung 3b), wenn die Wasserstoffbrückenbindungen nicht mehr als Wechselwirkungen zur Aggregatbildung beitragen können. Temperaturabhängige UV-Vis-Absorptionsstudien verdeutlichten die Relevanz der Wasserstoffbrückenbindungen in MCH-Lösungen für die Bildung von stabilen J-Aggregaten. Anders als für PBI 4c konnte die Ausbildung von J-Aggregaten in Lösung für die beiden anderen Derivate nicht beobachtet werden. Im nächsten Schritt wurden die spektroskopischen Eigenschaften in Dünnschichten untersucht. Für PBI 7 konnte eine J-artige Bande und ein Fluoreszenzspektrum mit einer besonders großen Stokesverschiebung und einer sehr langen Fluoreszenzlebensdauer im Vergleich zu den Daten von PBI 4c detektiert werden. Unter Beachtung der molekularen Anordnung von konventionell gestapelten, zueinander verdrehten Molekülen, die aus Röntgenstrukturanalysen hergeleitet wurde, deuten diese Ergebnisse auf die Erzeugung einer excimerartigen Emission hin. Die Anordnung der Moleküle senkrecht zur Scherrichtung und demzufolge auch senkrecht zur Säulenachse wurde mittels polarisierter UV-Vis-Absorptionsmessungen untermauert. Diese unterschiedlichen Untersuchungsmethoden deuten gemeinsam darauf hin, wie zwingend erforderlich Wasserstoffbrückenbindungen für die Bildung definierter, flüssigkristalliner J-Aggregate sind, in denen die Übergangsdipolmomente der Chromophore parallel zur Säulenachse ausgerichtet sind. Mit der Synthese von PBI 7 und 8 konnte eindrucksvoll gezeigt werden, wie bereits kleine Änderungen in der Molekülstruktur einen großen Einfluss auf die Aggregatstruktur haben können, wenn diese vom Zusammenwirken verschiedener nichtkovalenter Wechselwirkungen wie Wasserstoffbrückenbindungen und pi-pi Wechselwirkungen abhängig ist.
Der letzte Teil dieser Arbeit handelt von der Bildung zweidimensionaler flüssigkristalliner Anordnungen. Da vierfach buchtsubstituierte PBIs immer eine Verdrehung des Kernes hervorrufen und damit die Bildung lamellarer Strukturen verhindern, wurde hier der Ansatz der Reduzierung auf eine 1,7-Zweifachsubstitution unter gleichzeitiger Beibehaltung der freien Imidgruppen gewählt. Von diesem molekularen Design wurde erwartet, dass die planaren Perylenkerne über pi-pi-Wechselwirkungen und Wasserstoffbrückenbindungen stark miteinander wechselwirken und somit zweidimensionale Aggregate bilden können. POM, DSC und Röntgenstrukturanalysen bestätigen die Bildung lamellarer flüssigkristalliner Phasen von PBI 9a und 9b (Abbildung 4a) und einer weichen Phase von PBI 10. Der Austausch der Substituenten, die n-C12-Alkoxyketten tragen, durch gabelartige Mesogene, wie bei PBI 9b, bewirkt deutliche Änderungen der Phaseneigenschaften. PBI 9b weist den niedrigsten Klärpunkt, die höchste Phasenstabilität, die geringste Viskosität, leichte Scherbarkeit bei Raumtemperatur und interessante Phasenübergänge zwischen lamellaren und säulenartig hexagonalen Phasen in Abhängigkeit der Temperatur auf. Die Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen parallel zu den Schichten konnte mit polarisierten FT-IR-Experimenten für alle drei Derivate gezeigt werden. Konzentrationsabhängige UV-Vis-Absorptionsuntersuchungen bestätigten die Ausbildung eines J-artigen Aggregates in MCH-Lösung, welches eine zweidimensionale Struktur aufzuweisen scheint. Mittels STM-Untersuchungen konnten lamellare Strukturen von PBI 9a und 10 Schichten in 1-Phenyloktan auf hochgeordnetem pyrolytischem Graphit beobachtet werden. Abbildung 4b veranschaulicht die Anordnung der Moleküle in den Schichten, in diesem Fall exemplarisch für PBI 9a gezeigt. Leider haben Fluoreszenzuntersuchungen gezeigt, dass die Dünnschichten keine oder eine nur sehr geringe Emission aufweisen und somit nicht für photonische Anwendungen geeignet sind. Nichtsdestotrotz könnten diese Verbindungen Inspirationen für weitere Untersuchungen sein und Ansatzpunkte liefern, das Ziel eines zweidimensionalen Exzitonentransportes für photonische Anwendungen zu erreichen.
KW  - Flüssigkristall
KW  - Perylenderivate
KW  - Liquid Crystal
KW  - Perylene Bisimide
KW  - J-Aggregate
KW  - Flüssigkristall
KW  - Liquid Crystals
KW  - Perylene Bisimides
KW  - Perylenbisimide
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-164857
ER  - 
TY  - THES
A1  - Hecht [geb. Wagener], Reinhard Johannes
T1  - Processing and Characterization of Bulk Heterojunction Solar Cells Based on New Organic n-Type Semiconductors
T1  - Prozessierung und Charakterisierung von Bulk-Heterojucktion Solarzellen auf Basis von neuen organischen n-Halbleitern
N2  - This thesis established the fabrication of organic solar cells of DA dye donors and fullerene acceptors under ambient conditions in our laboratory, however, with reduced power conversion efficiencies compared to inert conditions. It was shown that moisture had the strongest impact on the stability and reproducibility of the solar cells. Therefore, utilization of robust materials, inverted device architectures and fast fabrication/characterization are recommended if processing takes place in air. Furthermore, the dyad concept was successfully explored in merocyanine dye-fullerene dyads and power conversion efficiencies of up to 1.14 % and 1.59 % were measured under ambient and inert conditions, respectively. It was determined that the major drawback in comparison to comparable BHJ devices was the inability of the dyad molecules to undergo phase separation. Finally, two series of small molecules were designed in order to obtain electron transport materials, using the acceptor-core-acceptor motive. By variation of the acceptor units especially the LUMO levels could be lowered effectively. Investigation of the compounds in organic thin film transistors helped to identify promising molecules with electron transport properties. Electron transport mobilities of up to 7.3 × 10−2 cm2 V−1 s−1 (ADA2b) and 1.39 × 10−2 cm2 V−1 s−1 (AπA1b) were measured in air for the ADA and AπA dyes, respectively. Investigation of selected molecules in organic solar cells proved that these molecules work as active layer components, even though power conversion efficiencies cannot compete with fullerene based devices yet. Thus, this thesis shows new possibilities that might help to develop and design small molecules as substitutes for fullerene acceptors.
N2  - In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Herstellung und Charakterisierung von organischen Solarzellen auf Basis von kleinen DA-Farbstoffen in Kombination mit Fullerenakzeptoren unter Umgebungsbedingungen möglich ist. Außerdem konnte herausgefunden werden, dass die Luftfeuchtigkeit den größten Einfluss auf die Stabilität und die Reproduzierbarkeit der organischen Solarzellen hat. Aus diesem Grund sind der Austausch labiler Komponenten, die Verwendung von invertierten Bauteilarchitekturen sowie eine zügige Herstellung und Charakterisierung bei Prozessierung an Luft zu empfehlen. In weiteren Experimenten konnte das Dyadenkonzept erfolgreich angewendet werden, sodass sich Effizienzen von 1.14 und 1.59 % unter ambienten bzw. inerten Bedingungen messen ließen. Das Unvermögen der Dyaden, separate Phasen aus Donor- und Akzeptorverbindung zu bilden, konnte als größte Schwäche der Verbindungen ausgemacht werden. Schlussendlich wurden zwei Serien von Molekülen mit der Absicht Elektronentransportmaterialien zu generieren basierend auf einem Akzeptor-Kern-Akzeptor-Strukturmotiv entworfen. Die Variation der Akzeptoren ermöglichte in der Tat eine systematische Absenkung der Grenzorbitale und insbesondere der LUMO-Niveaus. Weiterhin wurden die Verbindungen in organischen Dünnfilmtransistoren untersucht, um mehr über ihre Ladungstransporteigenschaften zu erfahren. Dabei konnten Moleküle ausgemacht werden, die zum Elektronentransport an Luft in der Lage sind. Für die besten ADA- und AπA-Farbstoffe konnten so jeweils Elektronenmobilitäten von 7.3 × 10−2 cm2 V–1 s–1 (ADA2b) und 1.39 × 10−2 cm2 V–1 s–1 (AπA1b) gemessen werden. Weitere Untersuchungen von ausgewählten Verbindungen in organischen Solarzellen, konnten beweisen, dass diese neu kreierten Moleküle im Prinzip als Aktivmaterialien funktionieren können, wenn auch die erzielten Effizienzen noch nicht mit denen von Fulleren-basierten Solarzellen konkurrieren konnten. Damit zeigt diese Arbeit neue Möglichkeiten auf, die bei der Entwicklung und dem Design von kleinen Molekülen als Alternativen zu Fullereneakzeptoren hilfreich sein können.
KW  - organic solar cells
KW  - A-D-A dyes
KW  - dyads
KW  - merocyanines
KW  - n-type semiconductors
KW  - Heterosolarzelle
KW  - Halbleiter
KW  - Merocyanine
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-161385
ER  - 
TY  - THES
A1  - Muzha, Andreas
T1  - Herstellung und Charakterisierung kolloidaler Lösungen diamantbasierter und verwandter Materialien
T1  - Preparation and characterization of colloidal solutions of diamond-based and related materials
N2  - In der vorliegenden Publikation wurden stabile kolloidale Lösungen aus CVD-Diamant, Detonationsdiamant sowie artverwandten Materialien hergestellt und charakterisiert
Besonderes Augenmerk wurde bei der Zerkleinerung von CVD Diamant daraufgelegt, dass die nanoskaligen Partikel ihre materialspezifischen Eigenschaften auch bei Reduktion der Größe beibehalten.
Systematisch wurde die Zerkleinerung in einer Planetenmühle analysiert. Es wurde sowohl die minimal erreichbare Partikelgröße, als auch die Menge an erzeugtem, nanoskaligem Material bewertet. 
Um die Vermahlung zu verbessern, wurden die Geschwindigkeit der Mühle, die Größe der Mahlkörper, die Dauer der Vermahlung, sowie die eingesetzten Lösemittel variiert. Des Weiteren konnten durch die Vermahlung unterschiedlich hergestellter CVD Diamantfilme in einer Vibrationsmühle die Einflüsse von Schichtdicke und Korngröße der Diamantkristalle untersucht werden.
Durch Bearbeitung von Detonationsdiamanten und Kohlenstoffnanozwiebeln wurden stabile kolloidale Lösungen hergestellt, mit Partikelgrößen im unteren Nanometerbereich. Diese sind im alkalischen pH-Bereich stabil sein, hierfür wurde durch Luft und Säureoxidation oxidierter Detonationsdiamant und oxidierte Kohlenstoffnanozwiebeln hergestellt. Mithilfe der thermogravimetrischen Analyse und Infrarotspektroskopie wurde die hierfür optimale Temperatur und Dauer bestimmt.
N2  - In the present publication, stable colloidal solutions of CVD diamond, detonation diamond and related materials were produced and characterized.
During the grinding of CVD diamond, special attention was paid to ensuring that the nanoscale particles retain their material-specific properties even when their size is reduced.
The grinding in a planetary mill was analyzed systematically. Both the minimum achievable particle size and the amount of nanoscale material produced were evaluated.
In order to improve the grinding, the speed of the mill, the size of the grinding media, the duration of the grinding and the solvents used were varied. Furthermore, the influences of layer thickness and grain size of the diamond crystals could be investigated by grinding differently produced CVD diamond films in a vibration mill.
Stable colloidal solutions were prepared from detonation diamonds and carbon nano onions, with particle sizes in the sub-nanometer range. These are stable in alkaline pH range. For this purpose oxidized detonation diamond and oxidized carbon nano onions were modified by air and acid oxidation. The optimum temperature and duration for this was determined with the aid of thermogravimetric analysis and infrared spectroscopy.
KW  - Diamant
KW  - Kolloid / Lösung <Chemie>
KW  - Detonationsdiamant
KW  - CVD-Diamant
KW  - Kohlenstoffnanozwiebel
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-296685
ER  - 
TY  - THES
A1  - Gamache [geb. Rupp], Mira Theresa
T1  - Ligand Design for Ru(II) Photosensitizers in Photocatalytic Hydrogen Evolution
T1  - Ligandendesign für Ru(II)-Photosensibilisatoren in der photokatalytischen Wasserstoffentwicklung
T1  - Conception de ligands pour les photosensibilisateurs de Ru(II) dans l'évolution photocatalytique de l'hydrogène
N2  - This thesis investigates different ligand designs for Ru(II) complexes and the activity of the complexes as photosensitizer (PS) in photocatalytic hydrogen evolution. The catalytic system typically contains a catalyst, a sacrificial electron donor (SED) and a PS, which needs to exhibit strong absorption and luminescence, as well as reversible redox behavior. Electron-withdrawing pyridine substituents on the terpyridine metal ion receptor result in an increase of excited-state lifetime and quantum yield (Φ = 74*10-5; τ = 3.8 ns) and lead to complex III-C1 exhibiting activity as PS. While the turn-over frequency (TOFmax) and turn-over number (TON) are relatively low (TOFmax = 57 mmolH2 molPS-1 min-1; TON(44 h) = 134 mmolH2 molPS-1), the catalytic system is long-lived, losing only 20% of its activity over the course of 12 days. Interestingly, the heteroleptic design in III-C1 proves to be beneficial for the performance as PS, despite III-C1 having comparable photophysical and electrochemical properties as the homoleptic complex IV-C2 (TOFmax = 35 mmolH2 molPS-1 min-1; TON(24 h) = 14 mmolH2 molPS-1). Reductive quenching of the excited PS by the SED is identified as rate-limiting step in both cases.
Hence, the ligands are designed to be more electron-accepting either via N-methylation of the peripheral pyridine substituents or introduction of a pyrimidine ring in the metal ion receptor, leading to increased excited-state lifetimes (τ = 9–40 ns) and luminescence quantum yields (Φ = 40–400*10-5). However, the more electron-accepting character of the ligands also results in anodically shifted reduction potentials, leading to a lack of driving force for the electron transfer from the reduced PS to the catalyst. Hence, this electron transfer step is found to be a limiting factor to the overall performance of the PS. While higher TOFmax in hydrogen evolution experiments are observed for pyrimidine-containing PS (TOFmax = 300–715 mmolH2 molPS-1 min-1), the longevity for these systems is reduced with half-life times of 2–6 h.
Expansion of the pyrimidine-containing ligands to dinuclear complexes yields a stronger absorptivity (ε = 100–135*103 L mol-1 cm-1), increased luminescence (τ = 90–125 ns, Φ = 210–350*10-5) and can also result in higher TOFmax given sufficient driving force for electron transfer to the catalyst (TOFmax = 1500 mmolH2 molPS-1 min-1). When comparing complexes with similar driving forces, stronger luminescence is reflected in a higher TOFmax. Besides thermodynamic considerations, kinetic effects and electron transfer efficiency are assumed to impact the observed activity in hydrogen evolution. In summary, this work shows that targeted ligand design can make the previously disregarded group of Ru(II) complexes with tridentate ligands attractive candidates for use as PS in photocatalytic hydrogen evolution.
N2  - In dieser Arbeit werden verschiedene Liganden für Ru(II)-Komplexe und die Aktivität der Komplexe als Photosensibilisatoren (PS) in der photokatalytischen Wasserstoffentwicklung untersucht. Das katalytische System besteht typischerweise aus einem Katalysator, einem Opferelektronendonator (SED) und einem PS, welcher eine starke Absorption und Lumineszenz sowie ein reversibles Redoxverhalten aufweisen sollte. Elektronenziehende Pyridin-Substituenten am Terpyridin-Metallionenrezeptor resultieren in einer Erhöhung der Lebensdauer des angeregten Zustands sowie der Quantenausbeute (Φ = 74*10-5; τ = 3.8 ns), was dazu führt, dass Komplex III-C1 als PS aktiv ist. Während die Wechselzahl (TOFmax) und der Umsatz (TON) relativ niedrig sind (TOFmax = 57 mmolH2 molPS-1 min-1; TON(44 h) = 134 mmolH2 molPS 1), ist das katalytische System langlebig und verliert im Laufe von 12 Tagen nur 20% seiner Aktivität. Das heteroleptische Design in III-C1 erweist sich als vorteilhaft für die Leistung als PS, obwohl III-C1 vergleichbare photophysikalische und elektrochemische Eigenschaften besitzt wie der homoleptische Komplex IV-C2 (TOFmax = 35 mmolH2 molPS-1 min-1; TON(24 h) = 14 mmolH2 molPS-1). In beiden Fällen erweist sich das reduktive Lumineszenzlöschen des angeregten PS durch den SED als geschwindigkeitsbestimmender Schritt.
Daher werden die Liganden entweder durch N-Methylierung der peripheren Pyridin-Substituenten oder durch Einführung eines Pyrimidinrings in den Metallionenrezeptor elektronenziehender gestaltet, was zu erhöhten Lebensdauern des angeregten Zustands (τ = 9–40 ns) und Lumineszenzquantenausbeuten (Φ = 40–400*10-5) führt. Der stärker elektronenziehende Charakter der Liganden führt allerdings auch zu anodisch verschobenen Reduktionspotentialen, wodurch die treibende Kraft für den Elektronentransfer vom reduzierten PS zum Katalysator reduziert wird. Daher erweist sich dieser Elektronentransferschritt als ein limitierender Faktor für die Gesamtleistung des PS. Während höhere TOFmax in Wasserstoffproduktionsexperimenten für Pyrimidin-haltige PS beobachtet werden (TOFmax = 300–715 mmolH2 molPS-1 min-1), ist die Langlebigkeit für diese Systeme mit Halbwertszeiten von 2–6 h deutlich reduziert.
Die Erweiterung der Pyrimidin-haltigen Liganden zu zweikernigen Komplexen führt zu einem stärkeren Absorptionsvermögen (ε = 100–135*103 L mol-1 cm-1), erhöhter Lumineszenz (τ = 90–125 ns, Φ = 210–350*10-5) und kann bei ausreichender treibender Kraft für den Elektronentransfer zum Katalysator auch zu einer höheren TOFmax führen (TOFmax = 1500 mmolH2 molPS-1 min-1). Beim Vergleich von Komplexen mit ähnlichen treibenden Kräften spiegelt sich die stärkere Lumineszenz in einem höheren TOFmax wider. Es wird angenommen, dass neben thermodynamischen Faktoren auch kinetische Effekte und die Effizienz des Elektronentransfers die beobachtete Aktivität bei der Wasserstoffentwicklung beeinflussen. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass gezieltes Ligandendesign die bisher vernachlässigte Gruppe der Ru(II)-Komplexe mit tridentaten Liganden zu attraktiven Kandidaten für den Einsatz als PS in der photokatalytischen Wasserstoffentwicklung machen kann.
N2  - Cette thèse étudie la conception de différentes ligands pour les complexes de Ru(II) et leur activité comme photosensibilisateur (PS) dans l'évolution photocatalytique de l'hydrogène. Le système catalytique contient généralement un catalyseur, un donneur d'électron sacrificiel (SED) et un PS, qui doit présenter une forte absorption et luminescence et un comportement redox réversible. Les substituants pyridine attracteurs d'électrons sur le récepteur d'ions métalliques terpyridine entraînent une augmentation de la durée de vie de l'état excité et du rendement quantique (Φ = 74*10-5; τ = 3.8 ns) et permettent au complexe III-C1 de présenter une activité en tant que PS. Bien que la fréquence (TOFmax) et le nombre de cycle catalytique (TON) soient relativement faibles (TOFmax = 57 mmolH2 molPS-1 min 1; TON(44 h) = 134 mmolH2 molPS-1), le système catalytique a une longue durée de vie, ne perdant que 20% de son activité au cours de 12 jours. De manière intéressante, la conception hétérolytique dans III-C1 s'avère être bénéfique pour la performance en tant que PS, malgré des propriétés photophysiques et électrochimiques comparables à celles du complexe homoleptique IV-C2 (TOFmax = 35 mmolH2 molPS-1 min-1; TON(24 h) = 14 mmolH2 molPS-1). L'extinction réductive de la PS excitée par le SED est identifiée comme l'étape limitant la vitesse dans les deux cas.
Par conséquent, les ligands sont modifiés pour être plus accepteurs d'électrons, soit par N-méthylation des substituants pyridine périphériques, soit par introduction d'un cycle pyrimidine dans le récepteur d'ion métallique, ce qui conduit à une augmentation des durées de vie des états excités (τ = 9–40 ns) et des rendements quantiques de luminescence (Φ = 40–400*10-5). Cependant, le caractère plus accepteur d'électrons des ligands entraîne également des potentiels de réduction décalés anodiquement, ce qui conduit à un manque de force motrice pour le transfert d'électrons du PS réduit au catalyseur. Ainsi, cette étape de transfert d'électrons s'avère être un facteur limitant de la performance globale du PS. Alors que des TOFmax plus élevés dans les expériences d'évolution de l'hydrogène sont observés pour les PS contenant le motif pyrimidine (TOFmax = 300–715 mmolH2 molPS-1 min-1), la longévité de ces systèmes est réduite avec des temps de demi-vie de 2–6 h.
L'expansion des ligands contenant le motif pyrimidine en complexes dinucléaires conduit à une absorptivité plus forte (ε = 100–135*103 L mol-1 cm-1), une luminescence accrue (τ = 90–125 ns, Φ = 210–350*10-5) et peut également entraîner un TOFmax plus élevé si la force motrice est suffisante pour le transfert d'électrons vers le catalyseur (1500 mmolH2 molPS-1 min-1). En comparant des complexes avec des forces motrices similaires, une luminescence plus forte se traduit par un TOFmax plus élevé. Outre les considérations thermodynamiques, les effets cinétiques et l'efficacité du transfert d'électrons sont supposés avoir un impact sur l'activité observée dans l'évolution de l'hydrogène. En résumé, ce travail montre que la conception ciblée de ligands peut faire du groupe précédemment négligé des complexes de Ru(II) avec des ligands tridentés des candidats attrayants pour une utilisation comme PS dans l'évolution photocatalytique de l'hydrogène.
KW  - Fotokatalyse
KW  - Wasserstofferzeugung
KW  - Rutheniumkomplexe
KW  - Photosensibilisator
KW  - Artificial photosynthesis
KW  - Ligand design
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-246766
N1  - This thesis was conducted as cotutelle-de-thèse between the Universität Würzburg and the Université de Montréal (Canada).
ER  - 
TY  - THES
A1  - Roos, Markus
T1  - Synthesis, Photophysics and Photocatalysis of [FeFe] Complex Containing Dyads and Bimolecular Systems
T1  - Synthese, Photophysik und Photokatalyse von [FeFe]-Komplex enthaltenden Dyaden und bimolekularen Systemen
N2  - In the course of this work, a total of three photocatalytically active dyads for proton reduction could be synthesized together with the associated individual components. Two of them, D1 and D2, comprised a [Ru(bpy)3]2+ photosensitizer and D3 an [Ir(ppy)2bpy]+ photosensitizer. A Ppyr3-substituted propyldithiolate [FeFe] complex was used as catalyst in all systems. The absorption spectroscopic and electrochemical investigations showed that an inner-dyadic electronic coupling is effectively prevented in the dyads due to conjugation blockers within the bridging units used. The photocatalytic investigations exhibited that all dyad containing two-component systems (2CS) showed a significantly worse performance than the corresponding bimolecular three-component systems (3CS). Transient absorption spectroscopy showed that the 2CS behave very similarly to the associated multicomponent systems during photocatalysis. The electron that was intended for the intramolecular transfer from the photosensitizer unit to the catalyst unit within the dyads remains at the photosensitizer for a relatively long time, analogous to the 3CS and despite the covalently bound catalyst. It is therefore assumed that this intramolecular electron transfer is likely to be hindered as a result of the weak electronic coupling caused by the bridge units used. Instead, the system bypasses this through an intermolecular transfer to other dyad molecules in the immediate vicinity. In addition, with the help of emission quenching experiments and electrochemical investigations, it could be clearly concluded that all investigated systems proceed via the reductive quenching mechanism during photocatalysis.
N2  - Im Rahmen dieser Arbeit konnten insgesamt drei photokatalytisch aktive Dyaden zur Protonenreduktion zusammen mit den zugehörigen Einzelkomponenten synthetisiert werden. Zwei von ihnen, D1 und D2, umfassten einen [Ru(bpy)3]2+-Photosensibilisator und D3 einen [Ir(ppy)2bpy]+-Photosensibilisator. Als Katalysator wurde in allen Systemen ein Ppyr3-substituierter Propyldithiolat-[FeFe]-Komplex verwendet. Die absorptionsspektroskopischen und elektrochemischen Untersuchungen zeigten, dass eine innerdyadische elektronische Kopplung aufgrund von Konjugationsblockern innerhalb der verwendeten Brückeneinheiten wirksam verhindert wird. Die photokatalytischen Untersuchungen zeigten, dass alle dyadenhaltigen Zweikomponentensysteme (2CS) eine signifikant schlechtere Leistung zeigten als die entsprechenden bimolekularen Dreikomponentensysteme (3CS). Mithilfe der transienten Absorptionsspektroskopie konnte gezeigt werden, dass sich die 2CS während der Photokatalyse sehr ähnlich wie die zugehörigen Mehrkomponentensysteme verhalten. Das Elektron, das für den intramolekularen Transfer von der Photosensibilisatoreinheit zur Katalysatoreinheit innerhalb der Dyaden vorgesehen war, verbleibt analog zu den 3CS und trotz des kovalent gebundenen Katalysators relativ lange am Photosensibilisator. Es wird daher angenommen, dass dieser intramolekulare Elektronentransfer wahrscheinlich aufgrund der schwachen elektronischen Kopplung, die durch die verwendeten Brückeneinheiten verursacht wird, behindert wird. Stattdessen umgeht das System dies durch einen intermolekularen Transfer zu anderen Dyadenmolekülen in unmittelbarer Nähe. Darüber hinaus konnte mithilfe von Emissionslöschungsexperimenten und elektrochemischen Untersuchungen eindeutig darauf geschlossen werden, dass alle untersuchten Systeme während der Photokatalyse über den reduktiven Löschmechanismus ablaufen.
KW  - Fotokatalyse
KW  - Elektronentransfer
KW  - proton reduction
KW  - [FeFe] hydrogenase mimic
KW  - dyad
KW  - ruthenium photosensitizer
KW  - iridium photosensitizer
KW  - Protonenreduktion
KW  - [FeFe]-Hydrogenase Imitator
KW  - Dyade
KW  - Ruthenium-Photosensibilisator
KW  - Iridium-Photosensibilisator
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-234537
ER  -