• Keine Ergebnisse gefunden

SEMICONDUCTING  MATERIALS  BASED  ON  SELF‐ORGANIZING  FUNCTIONAL   π–CONJUGATED SYSTEMS OF SMALL MOLECULES

The  challenging  task,  to  further  improve  device  efficiencies  in  organic  electronics,  is  accompanied with the development of novel self‐organizing semiconducting organic compounds. 

Active materials for efficient photovoltaics, in particular, need to satisfy a number of criteria,  including a high optical density over the visible and near infrared spectral regime, high charge  carrier mobilities and a large exciton diffusion length. The conventional approach focuses on  

π‐conjugated polymers or oligomers, which possess the inherent ability to self‐organize via 

crystallization and to conduct electric charges along their backbone as well as via interchain  transport.38,39 These highly processable materials exhibit charge carrier mobilities in the order of  0.1 cm2∙V‐1∙s‐1, such as determined for regioregular poly(3‐hexylthiophene).40 Another attractive  strategy  exploits  the  hierarchical  self‐assembly41,42  of  small  π‐conjugated  molecules  into  supramolecular assemblies by non‐covalent interactions as alternative classes of functional  materials with innovative design.43‐45 The programmed, supramolecular self‐organization of small  molecular  building  blocks  into  well‐defined  nanostructural  architectures  via  multiple  intermolecular driving forces is recognized as one of the key techniques for the “bottom‐up” 

approach  in  nanotechnology.46  Amongst  the  various  new  materials  for  organic  electronic  applications, conjugated liquid crystals (CLCs) are currently contemplated as an auspicious novel  class of organic semiconductors because they combine order and dynamics.47  

 

Figure 7. (a) Typical length‐scales encountered in organic electronics and control of order achievable with  conjugated liquid crystalline (CLC) semiconductors. (b) Schematic representation of calamitic and discotic  semiconductors. (reproduced from Geerts et al.47). 

CLCs offer the decisive advantage of controlling order in the bulk as well as at interfaces and at  all length‐scales  from  the  molecular  to the macroscopic  scale (Fig. 7).  Additionally,  liquid  crystalline materials possess the unique propensity to form highly organized films, which can be  obtained by cheap processing techniques from solution. For conjugated liquid crystals it can be  differentiated  between  calamitic  (rod‐like)  and  discotic  (disc‐like)  mesogens.  Despite  their  different molecular shape, they differ basically in the dimensionality of charge transport or  exciton migration and in the extent of their orbital overlap. For calamitic mesogens, smectic  mesophases with a two‐dimensional charge transport and for discotic mesogens columnar  mesophases featuring  a one‐dimensional charge  transport  are the  usually  observed phase  organizations for contributing towards charge migration. 

But also the spatial organization on the mesoscopic length scale (5 ‐ 100nm) of π‐conjugated  dye‐entities as  molecular building blocks  under  a programmed manner by making  use of  intermolecular interactions such as hydrogen‐bonding, dipole‐dipole, van der Waals or  π‐π  interactions is a topic of particular interest for scientists in this field. It was proposed to call this  field  of research “supramolecular electronics”.45 In these  objects,  smallest dimensions are  combined with a high degree of order.48 The hierarchical formation of fibrous nanostructures  building up  a 3D network under thermodynamic control is controllable and may  thus be  implemented in various organic device applications. In this context, especially hydrogen bonding  motifs or solvophobic effects, e.g. in organogelators49,50 offer an excellent structure‐directing tool  to position well‐defined objects at predefined positions in order to construct nanotubes,51  nanowires52 or xerogels53 of electronic components in the nanometer range (Fig. 8).  

 

Figure 8. (a) Proposed scheme of supramolecular gel formations (reproduced from Hiromitsu et al.54). 

Columnar Liquid Crystals Formed by π‐Conjugated Systems 

Liquid crystals (LCs) are unique functional soft materials which possess both, mobility and  order, ranging from the macroscopic to the molecular level. In addition to the classical states of  matter – solid, liquid, gaseous  ‐ liquid crystals are accepted as a fourth state of matter.55   The liquid crystalline phenomenon was described firstly for cholesterol derivatives by F. Reinitzer  in 188856 and recognized as novel state of matter by O. Lehmann.57 Immense efforts in research  and development have pushed this topic into a mature field of modern science and many  mesophase forming classes of compounds are known nowadays. The special properties of liquid  crystals are used in various modern materials, e.g. thermotropic calamitic mesogens in active  matrix liquid crystal displays (AM‐LCD)58 or high strength synthetic polyaramid fibers such as  Kevlar® which are spun from a lyotropic melt.59 The liquid crystalline phase of matter can be  characterized by attributes in‐between those of a conventional, fluid isotropic liquid and those of  a solid  crystal  with orientational and/or positional long‐range order co‐instantaneously.60,61   As in liquid crystalline phases, the molecules are able to diffuse like the molecules of a liquid, but  still maintain some degree of ordering to a greater or lesser extent, they are also denominated as  mesophases (greek: μεσοσ = middle). Generally, liquid crystals are divided into two categories,  thermotropic and lyotropic LCs. Thermotropic LCs exhibit a phase transition into the LC‐phase  upon temperature change, whereas lyotropic LCs62 exhibit phase transitions as a function of  temperature and concentration of the mesogens in a solvent (a typically example are amphiphilic  molecules in water). Besides liquid crystals, also condis‐phases63, plastic crystals64 and their  corresponding glasses, as well as micro‐phase separated copolymers65 belong to the class of  mesomorphic materials. Any compound that is able to form a mesophase is called a mesogene. 

Mesogenes can consist of only one molecule (molecular mesogene), or they can be build up of  several – even different – individual molecules (supramolecular mesomorphism). Liquid crystalline  phases can be classified according to the degree of order (1D – 3D) and orientation of the  mesogens in the liquid crystalline state into different types of phases as nematic, smectic or  columnar. The molecular origin for the formation of a mesophase can mainly be attributed to  three different principles: anisotropy, aggregation and segregation. When melting to the liquid  crystalline phase, the mesogen must exhibit structural principles in order to maintain parts of its  organization or orientation. As molecular shape is an important factor in determining whether  certain molecules will self‐assemble into liquid crystalline phases, the molecules may usefully be  classified according to their anisometric geometry as calamitic‐ (rod‐like) discotic‐ (disc‐like),  banana‐ (bent‐like), sanidic‐ (board‐like) or pyramidic‐ (conical or cone‐shaped) mesogens.66,67  

A prominent class of molecular mesogens, which holds potential for future semiconducting  appliances comprises thermotropic liquid crystals with a disc‐shaped geometry of the mesogens  (DLCs).68‐70 After speculations on the existence of mesomorphism of coin‐like mesogens by   D. Vorländer,71 the liquid crystalline state of so‐called discotic mesogens was discovered by   S. Chandrasekhar in 1977.72 Generally, these molecules consist of a disc‐shaped rigid π‐conjugated  core and bear flexible substituents at the periphery, generally hydrocarbon chains which are  attached  by  connecting  groups,  such  as  ether,  thioether,  ester  or  amide  groups.  

Scheme 1 presents several prominent examples of discotic molecules, which form columnar  superstructures due to π‐π interactions.