Gefüllte polare Flüssigkristalle mit regenschirmförmigen Mesogenen

Die Arbeitsgruppe (AG) Lehmann (Würzburg) synthetisiert Sternmesogene basierend auf einem Subphthalocyaninkern mit konjugierten Armen (Oligothiophene, Benzothienobenzothiophene, Thienylpyrrolopyrrolthiophene) dekoriert mit aliphatischen Ketten. Diese induzieren kolumnare flüssigkristalline (LC) Phasen. Die photophysikalischen Eigenschaften werden in Lösung und dünnen Filmen untersucht. Das thermotrope Verhalten und die Struktur der Mesophasen wird mit Hilfe der Polarisationsmikroskopie, der dynamischen Differenzkalorimetrie, der Röntgenstreuung (WAXS, SAXS, GISAXS), und der Modellierung in Materials Studio aufgeklärt. Die regenschirmförmigen, halbleitenden Mesogene bilden polare Phasen, die einen anormalen photovoltaischen Effekt in orientierten dünnen Filmen erwarten lassen. Hierzu wird das Orientierungsverhalten mit einer Vielzahl von Methoden (verschiedenen Oberflächen, magnetische oder elektrische Felder) in der AG Eremin (Magdeburg) untersucht. Die polaren Eigenschaften werden mittels dielektrischer Spektroskopie, optische Frequenzverdopplung (Second Harmonic Generation, SHG) und piezoelektrischer Technik studiert. An den orientierten polaren Filmen wird anschließend der anormale photovoltaische Effekt erprobt. Diese Materialien sollen einen Photostrom ohne Donor-Akzeptor-Übergang (p/n) zeigen.

Die Ergebnisse hinsichtlich der Phasenübergänge, Übergangstemperaturen, Orientierung und Photostrom fließen wieder in die Synthese ein, um die LC Materialen zu optimieren. Des Weiteren präpariert die AG Lehmann Derivate der Sternmesogene, bei denen an die konjugierten Arme über verschieden lange flexible Abstandshalter Fullerene (C60) geknüpft sind. Diese Moleküle sind sterisch überfrachtet und bilden keine LC Phasen. Die ursprünglichen Mesogene ohne Fullerene besitzen jedoch zwischen ihren Armen intrinsische Freiräume, die C60 aufnehmen können. Daher führt die Mischung dieser Moleküle mit den sterisch überfrachteten Fullerenderivaten zu neuen polaren, hochgeordneten, kolumnaren Donor-Akzeptor LC Phasen. Dies sind gefüllte Mesophasen, deren Struktur-Eigenschaftsbeziehungen detailliert in den AGs Lehmann und Eremin aufgeklärt werden - d.h. deren Struktur, photophysikalische und polare Eigenschaften, Orientierbarkeit, Ladungsträgerbeweglichkeiten mit der Time-Of-Flight-Methode und die photovoltaischen Eigenschaften. Letztere werden mit Hilfe eines invertierten Aufbaus der photovoltaischen Zelle in Kooperation mit der japanischen Arbeitsgruppe von Dr. Araoka (Tokyo) konstruiert und studiert. Die gefüllten Flüssigkristalle 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. Das gemeinsame, fachübergreifende Projekt der AGs Lehmann und Eremin wird daher zu einer neuen Generation von flüssigkristallinen, polaren Halbleitermaterialen führen, die den Einsatz in der organischen Photovoltaik erlaubt.

Filled Polar Liquid Crystals from Umbrella-Shaped Mesogens

The work group[AE1] (WG) Lehmann (Würzburg) synthesizes star mesogens on the basis of a [AE2] subphthalocyanine core with conjugated arms (oligothiophenes, benzothienobenzothiophenes, thienylpyrrolopyrrolthiophenes) decorated with aliphatic chains. The latter induces columnar liquid-crystalline (LC) phases. The photophysical properties are studied in solution and thin films. The thermotropic behavior and the structure of the mesophases will be investigated by means of polarized optical microscopy, differential scanning calorimetry, X-ray scattering (WAXS, SAXS, GISAXS) and the modelling with the program Materials Studio. The umbrella-shaped, semiconducting mesogens form polar phases, for which an anomalous photovoltaic effect in thin, aligned films is expected. Therefore, alignment of the materials will be studied with a number of methods (different surfaces, magnetic and electric fields) in the WG Eremin (Magdeburg). The polar properties will be studied will be investigated by means of dielectric spectroscopy, second harmonic generation and the piezoelectric effect. On the thin oriented, polar films, the anomalous photovoltaic effect will be tested. These materials should exhibit a photocurrent without the need of a donor-acceptor (p/n) junction.
The result regarding the phase transitions, transition temperatures, alignment and the photocurrent will be considered to optimize the LC materials by synthesis. Moreover, the WG Lehmann will prepare star mesogen derivatives, for which the conjugated arms are tethered to fullerenes (C60) via flexible spacers with different spacer length. These molecules are sterically overcrowded and do not form LC phases. The original star mesogens without fullerenes possess between their arms intrinsic free space, which can host C60. Consequently, the mixture between these molecules with the sterically overcrowded fullerene derivatives results in new, polar, highly ordered, columnar donor-acceptor LC phases. These are filled mesophases, which will be thoroughly investigated in the WG Lehmann and Eremin with respect to their structure-property relationships, i.e. the mesophase structure, photophysical and polar properties, alignment, charge carrier mobilities with the Time-Of-Flight method and the photovoltaic properties. The latter will be studied by means of an inverted device structure in collaboration with a Japanese expert (Dr. Araoka, Tokyo). The filled liquid crystals are new donor-acceptor materials, which allow the control of the morphology and the alignment between electrodes. The polar properties will facilitate charge separation. The joint, multidisciplinary project of the WG Lehmann and Eremin will result in a new generation of liquid-crystalline, polar semiconductor materials, which allow the application in organic photovoltaics.