Filled Polar Liquid Crystals from Umbrella-Shaped Mesogens
Das Ziel dieses kooperativen Projektes zwischen den Arbeitsgruppen (AG) Lehmann (Würzburg) und Eremin (Magdeburg) ist das Design und die Untersuchung neuer halbleitender Flüssigkristallmaterialien, die sich durch intrinsisch polare Eigenschaften auszeichnen. Die Molekülstruktur basiert auf der Synthese von sternförmigen Mesogenen mit einem Subphthalocyanin-Kern und konjugierten Armen (Oligothiophene, Benzothienobenzothiophene, Thienylpyrrolopyrrolthiophene), dekoriert mit aliphatischen Ketten. Diese induzieren kolumnare flüssigkristalline (LC) Phasen. Solche Mesogene bilden polare Mesophasen, für die ein anomaler photovoltaischer Effekt (APV) in dünnen, orientierten Filmen erwartet wird. In diesem Projekt werden die strukturellen, optischen, elektronischen und polaren Eigenschaften dieser Materialien erforscht und für mögliche zukünftige Anwendungen optimiert. Nach Synthese und Reinigung werden die photophysikalischen Eigenschaften der Verbindungen in Lösung und in dünnen Filmen studiert. Das thermotrope Verhalten und die Struktur der LC-Phasen wird mit Polarisationsmikroskopie, dynamischer Differenzkalorimetrie, Röntgenstreuung (WAXS, SAXS, GISAXS), und der Modellierung in Materials Studio aufgeklärt. Die Orientierung wird mittels verschiedener Oberflächen, Tempern und der Anwendung magnetischer sowie elektrischer Felder optimiert. Die polaren Eigenschaften der neuen Materialien werden mit der dielektrischen Breitband-Spektroskopie und der optischen Frequenzverdopplung erforscht und der APV-Effekt an dünnen, orientierten Filmen getestet. Solche Materialien zeigen einen Photostrom ohne Donor-Akzeptor (p/n) Übergang. Die Ergebnisse dieser Studien werden für die Optimierung des Moleküldesigns genutzt. Überdies präpariert die AG Lehmann Derivate der Sternmesogene, bei denen an die konjugierten Arme, über verschieden lange flexible Abstandshalter, Fullerene (C60) geknüpft sind. Diese sterisch überfrachteten Moleküle bilden keine LC Phasen. Die ursprünglichen Mesogene ohne Fullerene besitzen zwischen ihren Armen intrinsische Freiräume, die C60 aufnehmen können. Daher führt die Mischung dieser Moleküle mit den Fullerenderivaten zu neuen polaren, hochgeordneten, kolumnaren Donor-Akzeptor LC Phasen. Diese "Fulleren-gefüllten" LCs sind neue Donor-Akzeptor-Materialien, die die Kontrolle der Morphologie und der Orientierung zwischen Elektroden ermöglichen. Die polaren Eigenschaften werden die Trennung von Ladungen erleichtern. Die Struktur-Eigenschaftsbeziehungen der Mesophasen werden detailliert aufgeklärt, d.h. deren Anordnung in weicher Materie (LCs, weiche Kristalle), photophysikalische und polare Eigenschaften, Orientierbarkeit, Ladungsträgerbeweglichkeit und photovoltaische Eigenschaften. Das gemeinsame, fachübergreifende Projekt wird daher zu einer neuen Generation von flüssigkristallinen, polaren Halbleitermaterialen führen, die homöotrop orientierbar und damit zukünftig in der organischen Photovoltaik einsetzbar sind.
Finanzierung: DFG