DE10024993A1 - Electrical device, used as sensor, organic field-effective transistor or light-emitting diode, photovoltaic or Shottky cell, antistatic film or battery, has polymer layer containing molecular organic semiconductor with polymerizable group - Google Patents
Electrical device, used as sensor, organic field-effective transistor or light-emitting diode, photovoltaic or Shottky cell, antistatic film or battery, has polymer layer containing molecular organic semiconductor with polymerizable groupInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein elektrisches Bauelement, mit einer die elektrischen Eigenschaften des elektrischen Bauelementes beeinflussenden, mindestens ein Polymer enthaltenden Schicht.The invention relates to an electrical component with an electrical Influencing properties of the electrical component, at least one Polymer containing layer.
Derartige elektrische Bauelemente sind aus dem Stand der Technik bekannt. So zeigt der Aufsatz von P. Ingleby et al. "Effect of micro-electrode geometry on response of thin-film poly(pyrrole) and poly(aniline) chemoresistive sensors" in Sensors and Actuators, B57(1999) 17-27, bereits einen chemoresistiven Sensor, der ein Polymer auf Pyrrol- oder Anilinbasis zur Beeinflussung der elektrischen Eigenschaften des Bauelementes enthält.Such electrical components are known from the prior art. So the article by P. Ingleby et al. "Effect of micro-electrode geometry on response of thin-film poly (pyrrole) and poly (aniline) chemoresistive sensors "in Sensors and Actuators, B57 (1999) 17-27, already a chemoresistive sensor, which is a polymer based on pyrrole or aniline to influence the electrical Contains properties of the component.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bauelement der eingangs genannten Art zu verbessern und ein Verfahren zu seiner Herstellung zur Verfügung zu stellen. The object of the present invention is a component of the aforementioned Art to improve and provide a process for its manufacture.
Diese Aufgabe wird bei einem Bauelement der eingangs genannten Art durch ein elektrisches Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst. Gleichzeitig stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes gemäß Anspruch 18 zur Verfügung.This object is achieved by a component of the type mentioned electrical component according to claim 1 solved. At the same time, the invention a method for producing the component according to the invention Claim 18 available.
Die Vorteile der Erfindung liegen insbesondere darin, daß aufgrund der Einfügung eines molekularen organischen Halbleiters die elektrischen Eigenschaften der Polymerschicht gezielt verändert werden können. Unter molekularen organischen Halbleitern werden im folgenden Molekülgruppen verstanden, die in Reinsubstanz als organische Halbleiter arbeiten. Zwar sind aus dem US-Patent 5,120,610 bereits Polymere bekannt, die durch Polymerisation von organischen Halbleitern, wie Phthalocyanin, hergestellt wurden; diese Polymere weisen jedoch nicht die zusätzlichen Modifikation der molekularen organischen Halbleiter mit Hilfe mindestens einer polymerisierbaren Gruppe auf, wie dies bei der Erfindung realisiert wurde. Diese Modifikation der molekularen organischen Halbleiter mit mindestens einer polymerisierbaren Gruppe ermöglicht es jedoch, in besonders vorteilhafter Weise die elektrischen Eigenschaften des derart ausgestatteten Bauelementes besonders genau einzustellen. Handelt es sich beispielsweise bei dem elektrischen Bauelement um einen Sensor, so können durch gezielte Auswahl eines bestimmten molekularen organischen Halbleiters, beispielsweise durch die Auswahl von Phthalo cyanin, und durch die gezielte Modifikation dieses molekularen organischen Halblei ters mit Hilfe einer polymerisierbaren Gruppe, beispielsweise durch Anilin, die Eigen schaften eines derart gebildeten Polymers so eingestellt werden, daß die mit Hilfe eines derart gebildeten Polymers aufgebaute, sensorisch aktive Schicht des Bauele mentes für eine ganz bestimmte Wellenlänge des Lichtes besonders empfindlich ist, während sie dies für andere Wellenlängen nicht ist. Dies sei nur beispielhaft an geführt. Genauso ist es aufgrund der Erfindung möglich, eine für ein ganz bestimm tes Lösungsmittel besondere Empfindlichkeit des Polymers durch die Wahl des molekularen organischen Halbleiters und der polymerisierbaren Gruppe einzustellen, so daß das entsprechende Bauelement nur für dieses Lösungsmittel empfindlich ist, während es für alle anderen Lösungsmittel nahezu unempfindlich ist. The advantages of the invention are in particular that due to the insertion of a molecular organic semiconductor the electrical properties of the Polymer layer can be changed specifically. Among molecular organic Semiconductors are understood in the following as molecular groups that are in pure substance work as organic semiconductors. There are already from US Pat. No. 5,120,610 Polymers known by the polymerization of organic semiconductors, such as Phthalocyanine; however, these polymers do not have the additional modification of the molecular organic semiconductors with the help at least one polymerizable group, as is realized in the invention has been. This modification of molecular organic semiconductors with at least a polymerizable group, however, makes it possible in a particularly advantageous manner Way the electrical properties of the component so equipped adjust particularly precisely. Is it electrical, for example? Component around a sensor, so you can select a specific one molecular organic semiconductor, for example by the selection of phthalo cyanine, and through the targeted modification of this molecular organic semicon ters with the help of a polymerizable group, for example aniline, the Eigen Properties of a polymer formed in this way are adjusted so that with the help of a polymer formed in this way, a sensorially active layer of the component is particularly sensitive to a specific wavelength of light, while it is not for other wavelengths. This is only an example guided. Likewise, it is possible due to the invention, one for one tes solvent special sensitivity of the polymer through the choice of molecular organic semiconductor and the polymerizable group, so that the corresponding component is only sensitive to this solvent, while it is almost insensitive to all other solvents.
Die Erfindung liefert also ein elektrisches Bauelement, welches aufgrund seiner erfindungsgemäß ausgestalteten Polymerschicht in neuartiger und bisher nicht bekannter Weise genau auf die speziellen Bedürfnisse der Anwendung einstellbar ist. Die Vorteile der Erfindung seien hier zunächst nur einführend angeführt. Im Zuge der folgenden Beschreibung der Erfindung werden noch eine Anzahl von weiterer vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung anhand ihres Aufbaus, ihrer Eigenschaften und ihrer Vorteile beschrieben.The invention thus provides an electrical component, which due to its Polymer layer designed according to the invention in a novel and previously not known manner exactly adjustable to the special needs of the application is. The advantages of the invention are initially only introduced here. In the course of The following description of the invention will reveal a number of others advantageous embodiments of the invention based on their structure, their Properties and their advantages described.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung enthält der mindestens eine molekulare organische Halbleiter einen makrozyklischen Liganden und/oder dessen Metallkomplexe, insbesondere substituierte und/oder unsubstituierte Phtalocyanine, substituierte und/oder unsubstituierte Porphyrine, substituierte und/oder unsub stituierte Porphyrazine, substituierte und/oder unsubstiuierte Naphtalocyanine, substituierte und/oder unsubstituierte Biphtalocyanine, und/oder substituierte und/oder unsubstituierte Chlorine, oder einen kondensierten Aromaten, ins besondere substituierte und/oder unsubstituierte Perylenfarbstoffe und -pigmente und deren Derivate, substituierte und/oder unsubstituierte Terryfene und deren Derivate, substituierte und/oder unsubstituierte Quaterrylene und deren Derivate, und/oder substituierte und/oder unsubstituierte Coronene und/oder deren Derivate. Auch ist es möglich, Farbstoffe zu verwenden, die als Reinsubstanz halbleitende Eigenschaften aufweisen, wie etwa substituierte und/oder unsubstituierte Merocyanine. Die genannten Merocyanine werden in einer besonders bevorzugten Ausführungsform als Beschichtung für eine CD verwendet. Dabei läßt sich die Eigenschaft der Merocyanine ausnutzen, bei Einstrahlung von Laserstrahlen bestimmter Wellenlängen das Absorptionsverhalten zu ändern.In a preferred embodiment of the invention, the contains at least one molecular organic semiconductors a macrocyclic ligand and / or its Metal complexes, especially substituted and / or unsubstituted phthalocyanines, substituted and / or unsubstituted porphyrins, substituted and / or unsub substituted porphyrazines, substituted and / or unsubstituted naphthalocyanines, substituted and / or unsubstituted biphthalocyanines, and / or substituted and / or unsubstituted chlorine, or a condensed aromatic, ins special substituted and / or unsubstituted perylene dyes and pigments and their derivatives, substituted and / or unsubstituted terry fenes and their Derivatives, substituted and / or unsubstituted quaterrylenes and their derivatives, and / or substituted and / or unsubstituted coronenes and / or their derivatives. It is also possible to use dyes that are semiconducting as the pure substance Have properties such as substituted and / or unsubstituted Merocyanines. The merocyanines mentioned are particularly preferred Embodiment used as a coating for a CD. The can Take advantage of the property of the merocyanines when exposed to laser beams certain wavelengths to change the absorption behavior.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der mindestens eine molekulare organische Halbleiter mindestens ein Element aus der Menge aus Phthalocyanin, Hemiporphyra zin, Triazolhemiporphyrazin, Biphthalocyanin, Naphthalocyanin, Phorphyrin, Perylen, Perylendicarbonsäureanhydrid, Perylendicarbonsäureimid, Perylentetracarbonsäure dianhydrid, Perylentetracarbonsäurediimid, Perylentetracarbonsäuremonoanhydridmonoimid, Coronen, Coronendicarbonsäureanhydrid, Coronendicarbonsäureimid, Coronentetracarbonsäuredianhydrid, Coronentetracarbonsäurediimid, Coronentetra carbonsäuremonoanhydridmonoimid, Rubicen, Rubicendicarbonsäureanhydrid, Rubicendicarbonsäureimid, Rubicentetracarbonsäuredianhydrid, Rubicentetracar bonsäurediimid, Rubicentetracarbonsäuremonoanhydridmonoimid, Imidazol, Imidazoldicarbonsäureanhydrid, Imidazoldicarbonsäureimid, Imidazoltetracar bonsäuredianhydrid, Imidazoltetracarbonsäurediimid, und Imidazoltetracarbonsäure monoanhydridmonoimid enthält. Diese organischen Halbleiter haben sich als besonders vorteilhafte Ausführungsformen erwiesen, da sie zum einen leicht herzustellen und einfach zu verarbeiten sind und zum anderen die definierte Einstellung bestimmter Eigenschaften eines derart aufgebauten Polymers zulassen. Selbstverständlich sind auch alle anderen molekularen organischen Halbleiter erfindungsgemäß einsetzbar. Einige der zuvor aufgezählten molekularen organischen Halbleiter werden weiter unten noch bezüglich ihrer Herstellung und ihrer Eigenschaften genauer beschrieben.It is particularly preferred if the at least one molecular organic Semiconductor at least one element from the amount of phthalocyanine, hemiporphyra zin, triazole hemiporphyrazine, biphthalocyanine, naphthalocyanine, phorphyrin, perylene, Perylenedicarboxylic anhydride, perylenedicarboximide, perylenetetracarboxylic acid dianhydride, perylene tetracarboxylic acid diimide, perylene tetracarboxylic acid monoanhydride monoimide, Coronen, Coronendicarbonsäureanhydrid, Coronendicarbonsäureimid, Coronetetracarboxylic acid dianhydride, Coronetetracarboxylic acid diimide, Coronetetra carboxylic acid monoanhydride monoimide, Rubicen, Rubicendicarbonsäureanhydrid, Rubicendicarboximide, Rubicentetracarboxylic Dianhydride, Rubicentetracar bonsäurediimid, Rubicentetracarbonsäuremonoanhydridmonoimid, imidazole, Imidazole dicarboxylic acid anhydride, imidazole dicarboximide, imidazole tetracar bonic acid dianhydride, imidazole tetracarboxylic acid diimide, and imidazole tetracarboxylic acid contains monoanhydride monoimide. These organic semiconductors have proven to be proven particularly advantageous embodiments because they are easy are easy to manufacture and easy to process and secondly the defined one Allow adjustment of certain properties of a polymer constructed in this way. Of course, all other molecular organic semiconductors are also usable according to the invention. Some of the previously listed molecular organic ones Semiconductors will be discussed below regarding their manufacture and their Properties described in more detail.
Zum genaueren Verständnis der genannten molekularen organischen Halbleiter der vorliegenden Erfindung seien diese molekularen organischen Halbleiter im folgenden anorganischen Halbleitern bzw. Leitern gegenübergestellt. Darüber hinaus sei im folgenden die Synthese und die Eigenschaften bevorzugter molekularer organischer Halbleiter der vorliegenden Erfindung beschrieben.For a better understanding of the molecular organic semiconductors mentioned In the present invention, these molecular organic semiconductors are as follows juxtaposed inorganic semiconductors or conductors. In addition, in follow the synthesis and properties of preferred molecular organic Semiconductors of the present invention described.
Zunächst seien einleitend die elektrischen Eigenschaften von Metallen sowie von anorganischen und organischen Halbleitern gegenübergestellt. Die Fig. 45 zeigt zu diesem Zweck eine Übersicht über Leitfähigkeiten organischer und anorganischer Leiter bzw. Halbleiter. Darüber hinaus zeigt die nachstehende Tabelle 1 zusätzlich die Beweglichkeiten und spezifischen Leitfähigkeiten von Silizium (Si), einem anorganischen Halbleiter, und von PcCu, einem organischen Halbleiter, jeweils im undotierten Zustand. Die Tabelle gibt ebenfalls die Abstände der Atome bzw. Moleküle im jeweiligen Kristallgitter an. First, the electrical properties of metals and inorganic and organic semiconductors are compared. Fig. 45 shows for this purpose an overview of conductivities of organic and inorganic conductor or semiconductor. In addition, Table 1 below also shows the mobilities and specific conductivities of silicon (Si), an inorganic semiconductor, and of PcCu, an organic semiconductor, each in the undoped state. The table also shows the distances of the atoms or molecules in the respective crystal lattice.
Organische Halbleiter weisen im Vergleich zu anorganischen Halbleitern deutlich
geringere Leitfähigkeiten auf. Nach der klassischen Einteilung wären sie Isolatoren
(σspez < 10-10 S/cm). Sie zeigen jedoch die für Halbleiter charakteristischen,
folgenden Eigenschaften:
Organic semiconductors have significantly lower conductivities than inorganic semiconductors. According to the classic classification, they would be isolators (σ spec <10 -10 S / cm). However, they show the following properties that are characteristic of semiconductors:
- - Anstieg der Leitfähigkeit mit der Temperatur;- increase in conductivity with temperature;
- - Anstieg der Leitfähigkeit in Gegenwart von Fremdstoffen (d. h. bei Dotie rung);- Increase in conductivity in the presence of foreign substances (i.e. with dots tion);
- - sie besitzen eine Thermospannung;- they have a thermal voltage;
- - Fotoleitfähigkeit;- photoconductivity;
- - Verarmungs- bzw. Anreicherungsrandschichten in Kontakten → Fotovoltal sche Aktivität;- Depletion or enrichment boundary layers in contacts → Fotovoltal activity;
-
- elektrochemische Aktivität
- a) aktiv als elektrochrome Schicht, Ladungsspeicher
- b) als Katalysator für elektrochemische Umsetzungen
- c) fotoelektrochemische Aktivität (Fotospannungen, Fotoströme im Elektrolyt kontakt).
- a) active as an electrochromic layer, charge storage
- b) as a catalyst for electrochemical reactions
- c) Photo-electrochemical activity (photo voltages, photo currents in the electrolyte contact).
Charakteristische Beispiele für organische Halbleiter sind großflächige, π-Elektronen reiche aromatische Verbindungen, wie z. B. Phorphyrine, Perylene und Phthalocyani ne. Die Vorteile dieser Verbindungen liegen darin, daß sie einfach und kostengünstig in großen Mengen und in hoher Reinheit herzustellen sind. Phthalocyanine können beispielsweise mit einer Reinheit von 1014 bis 1016 Traps pro cm3 hergestellt werden. Darüber hinaus sind diese Verbindungsklassen thermisch und chemisch sehr stabil und werden nur durch oxidierende Säuren angegriffen. Sie weisen weiterhin eine intensive Absorption im sichtbaren Bereich auf, mit Extinktions koeffizienten, die in Lösung zum Teil bei 105 cm2 mol-1 liegen. Im Gegensatz zu anorganischen Halbleitern, die kovalent im Kristallverbund verknüpft sind, werden die organischen Moleküle nur über Van der Waals-Wechselwirkungen im Kristallver bund gehalten. Die Abstände zwischen den einzelnen Atomen sind dement sprechend größer. Die Aufspaltung der Molekülorbitale in breite Bänder (Valenz- und Leitungsband), wie es bei anorganischen Halbleitern der Fall ist, findet bei organischen Halbleitern aufgrund der geringen Wechselwirkungen vorteilhafter Weise nicht statt. Die Moleküle behalten daher weitestgehend auch im Festkörper verband die Eigenschaften der Einzelmoleküle. Die Beweglichkeiten der Leitungs träger in organischen Halbleitern sind im allgemeinen deutlich geringer als in anorganischen Halbleitern. Das Bändermodell, das bei anorganischen Halbleitern zur Erklärung des Leitungsmechanismus herangezogen wird, spielt beim Ladungs transport in organischen Halbleitern eine untergeordnete Rolle. Im organischen Kristall wird vielmehr der Transport der Ladungsträger hauptsächlich durch Hopping- Mechanismen, wie das sogenannte "Phonon assisted Hopping" und durch aktivierte Tunnelprozesse erklärt.Typical examples of organic semiconductors are large-area, π-electron-rich aromatic compounds, such as. B. Phorphyrins, perylenes and Phthalocyani ne. The advantages of these compounds are that they are simple and inexpensive to produce in large quantities and in high purity. Phthalocyanines can be produced, for example, with a purity of 10 14 to 10 16 traps per cm 3 . In addition, these classes of compounds are thermally and chemically very stable and are only attacked by oxidizing acids. They also have an intensive absorption in the visible range, with extinction coefficients that are in part at 10 5 cm 2 mol -1 in solution. In contrast to inorganic semiconductors, which are covalently linked in the crystal bond, the organic molecules are only kept in the crystal bond via Van der Waals interactions. The distances between the individual atoms are correspondingly larger. The splitting of the molecular orbitals into broad bands (valence and conduction band), as is the case with inorganic semiconductors, advantageously does not take place in organic semiconductors due to the low interactions. The molecules therefore largely retain the properties of the individual molecules in the solid state. The mobility of the cable carrier in organic semiconductors is generally significantly lower than in inorganic semiconductors. The band model, which is used to explain the conduction mechanism for inorganic semiconductors, plays a subordinate role in charge transport in organic semiconductors. Rather, the transport of charge carriers in organic crystals is mainly explained by hopping mechanisms such as "phonon assisted hopping" and by activated tunnel processes.
Demgegenüber können leitfähige Polymere aufgrund ihrer Leitfähigkeit im dotierten Zustand (zu den leitfähigen Polymeren wird weiter unten noch genauer Stellung genommen) auch als elektrische Leiter oder Metalle bezeichnet werden (σspez < 10 S/cm). Ihre Leitfähigkeit sinkt, wie bei anorganischen Metallen mit zunehmender Temperatur. Diese Materialien zeigen keinen Feldeffekt und keine Thermospannung. Der Mechanismus des Ladungstransportes wird hier, wie auch bei den organischen Halbleitern, nicht über das klassische Bändermodell beschrieben. Der Ladungstrans port findet über sogenannte Mid-Gap-Zustände statt, die durch das Auftreten von Solitonen entstehen. Typische leitfähige Polymere sind demnach die weiter unten noch genauer erläuterten Polypyrrol, Polyanilin, Polyphenylenvenyliden und Polyacetylen, d. h. Polymere, die ein konjugierendes Systems entlang der Polymerkette aufweisen. Auch hier wird weiter unten noch eine genauere Beschreibung der Synthese und der Eigenschaften derartiger Polymere vorgenommen. Durch leitfähige Polymere kann vorteilhafterweie ein weiter Bereich der spezifischen Leitfähigkeiten abgedeckt werden. Diese Leitfähigkeit hängt dabei stark von der Dotierung des Polymers ab. Die Dotierung kann somit in vorteilhafter Weise zur Verstärkung der erfindungsgemäßen Eigenschaften der erfinderischen Bauelemente verwendet werden. Bei geringer Dotierung verhalten sich die leitfähigen Polymere wie organische Halbleiter. Im undotierten Zustand können sie aufgrund ihrer geringen Leitfähigkeit als Isolatoren bezeichnet werden.In contrast, conductive polymers can also be referred to as electrical conductors or metals (σ spec <10 S / cm) due to their conductivity in the doped state (more detailed information on the conductive polymers is given below). As with inorganic metals, their conductivity decreases with increasing temperature. These materials show no field effect and no thermal voltage. As with organic semiconductors, the mechanism of charge transport is not described here using the classic band model. The charge transfer takes place via so-called mid-gap states, which arise from the occurrence of solitons. Typical conductive polymers are therefore the polypyrrole, polyaniline, polyphenylene venylidene and polyacetylene, which are explained in more detail below, ie polymers which have a conjugating system along the polymer chain. Here too, a more detailed description of the synthesis and properties of such polymers is made below. A wide range of specific conductivities can advantageously be covered by conductive polymers. This conductivity strongly depends on the doping of the polymer. The doping can thus be used in an advantageous manner to reinforce the properties of the inventive components according to the invention. With low doping, the conductive polymers behave like organic semiconductors. In the undoped state they can be called insulators due to their low conductivity.
Im folgenden seien vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen molekularen organischen Halbleiter anhand der Synthese derselben und ihrer Eigenschaften beschrieben. Dabei wird auch direkt auf die begleitenden Zeichnun gen bezug genommen, um das Verständnis dieser bevorzugten Ausführungsformen zu erleichtern.In the following there are advantageous embodiments of the invention molecular organic semiconductors based on the synthesis of the same and their Properties described. It also goes directly to the accompanying drawing reference to understanding these preferred embodiments to facilitate.
Zunächst seien die vorteilhaft in der Erfindung einsetzbaren Phthalocyanine anhand ihrer Synthese und für die Erfindung vorteilhaften Eigenschaften beschrieben. Das Phthalocyanin kann mit oder ohne Zentralmetall dargestellt werden. Bei den Phthalocyaninen mit Zentralmetall sind im Stand der Technik mehr als 70 verschiedene Zentralmetalle dargestellt worden. Auch ist im Stand der Technik das Grundgerüst der Phthalocyanine mit unterschiedlichen Substituenten symmetrisch und unsymmetrisch substituiert worden. Das metallfreie Phthalocyanin, d. h. ohne Zentralmetall, läßt sich aus metallhaltigen Phthalocyaninen herstellen, deren Zentralmetalle labil gegen Säuren sind, wie beispieslweise Ca und Li. Darüber hinaus kann das metallfreie Phthalocyanin aus 1,3-Diiminoiso-indolenin 1 in hochsiedenden Lösungsmitteln direkt synthetisiert werden. Schonender und mit größeren Ausbeuten verläuft die Darstellung aus 1,2-Phthalsäurenitril 2 in Pentanol mit DBU als Katalysator. Die Fig. 1 gibt eine Übersicht über die Darstellungs methoden zum Darstellen von metallfreiem Phthalocyanin. The phthalocyanines which can advantageously be used in the invention are first described on the basis of their synthesis and properties which are advantageous for the invention. The phthalocyanine can be prepared with or without a central metal. In the case of phthalocyanines with central metal, more than 70 different central metals have been represented in the prior art. The basic structure of the phthalocyanines has also been substituted symmetrically and asymmetrically with different substituents in the prior art. The metal-free phthalocyanine, ie without a central metal, can be prepared from metal-containing phthalocyanines whose central metals are unstable to acids, such as Ca and Li. In addition, the metal-free phthalocyanine can be directly synthesized from 1,3-diiminoisoindolenine 1 in high-boiling solvents. The preparation from 1,2-phthalonitrile 2 in pentanol with DBU as a catalyst proceeds more gently and with greater yields. Fig. 1 gives an overview of the presentation methods for the presentation of metal-free phthalocyanine.
In der Fig. 2 sind Präparationsverfahren zur Darstellung metallhaltiger Phthalocya nine gezeigt. Nicht jedes Verfahren kann jedoch für substituierte Dinitrile verwendet werden. Phthalocyanin läßt sich zum einen mit 1,2-Cyanbenzoesäureamid 3 und Phthalsäurenitril 4 als Edukte darstellen. Weitere Möglichkeiten, Phthalocyanin darzustellen, gehen vom Phthalsäureanhydrid 5, vom 1,2-Brombenzol 6, vom 1- Brom-2-cyanbenzol 7 und vom Phthalsäureimid 8 aus. Die Synthesewege für zentralmetallfreie Phthalocyanine eignen sich ebenfalls für die Darstellung metallhaltiger Phthalocyanine.In Fig. 2 preparation methods for the representation of metal-containing Phthalocya nine are shown. However, not every method can be used for substituted dinitriles. On the one hand, phthalocyanine can be prepared with 1,2-cyanobenzoic acid amide 3 and phthalonitrile 4 as starting materials. Other possibilities for preparing phthalocyanine start from phthalic anhydride 5 , from 1,2-bromobenzene 6 , from 1-bromo-2-cyanobenzene 7 and from phthalimide 8 . The synthetic routes for central metal-free phthalocyanines are also suitable for the preparation of metal-containing phthalocyanines.
Phthalocyanine kommen in verschiedenen Kristallstrukturen Modifikationen vor. Die drei wichtigsten Modifikationen werden mit α, β und X bezeichnet. Durch Verdampfen eines Phthalocyaninato-Zinks im Vakuum auf ein Substrat erhält man, sofern die Substrattemperatur zwischen 50°C und 140°C liegt, die α-Modifikation. Beim Erhitzen der Schicht auf über 210°C lagert sich die α-Modifikation in die β- Modifikation um. Wird die Stelle der Rekristallisation jedoch gekühlt, entstehen amorphe Filme.Phthalocyanines occur in various crystal structures. The three main modifications are referred to as α, β and X. By Evaporation of a phthalocyaninato zinc on a substrate is obtained in vacuo, if the substrate temperature is between 50 ° C and 140 ° C, the α-modification. When the layer is heated to above 210 ° C, the α modification is stored in the β- Modification around. However, if the point of recrystallization is cooled, arise amorphous films.
Die Fig. 3 zeigt die genauen Bindungswinkel im Molekülkristall am Beispiel des Zinkphthalocyanins. Die einzelnen Modifikationen unterscheiden sich auch in ihrer Leitfähigkeit und in ihren UV-Vis-Spektren. Es ist daher entscheidend, welche Modifikation der präparierte Dünnfilm besitzt. Fig. 3 shows the exact bond angle in the example of the molecular crystal zinc phthalocyanine. The individual modifications also differ in their conductivity and in their UV-Vis spectra. It is therefore crucial which modification the prepared thin film has.
Weiterhin seien hier als vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen molekularen, organischen Halbleiter die Synthese und die Eigenschaften von Perylen und Perylenderivaten beschrieben.Furthermore, here are advantageous embodiments of the invention molecular, organic semiconductors the synthesis and properties of perylene and perylene derivatives.
Durch Erhitzen von 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure läßt sich 3,4,9,10-Perylente tracarbonsäuredianhydrid (im folgenden als PTCDA bezeichnet) synthetisieren. PTCDA läßt sich als Ausgangsprodukt für die Darstellung der 3,4,9,10-Perylente tracarbonsäurediimide (im folgenden als PTCDI bezeichnet) verwenden. PTCDIs lassen sich für die Erfindung vorteilhaft verwenden, da sie leicht zugänglich und durch Sublimation oder Chromatographie gut zu reinigen sind. Die Absorptionmaxi ma der in Lösung monomer vorliegenden Imide unterscheiden sich im UV-Vis- Spektrum sehr wenig. Die Lage der Absorptionsmaxima werden auch durch das verwendete Lösungsmittel nur sehr wenig beeinflußt. Die Banden liegen bei 525 nm, 489 nm und 458 nm. Die Fluoreszenzspektren mit Banden bei 540 nm und 575 nm stimmen bei unterschiedlichen Farbstoffen innerhalb von 5 nm überein. Symmetrische PTCDIs können durch Erhitzen von PTCDA mit einem Amin und einem wasserabspaltenden Mittel (z. B. Zn-Acetat) in hochsiedenden Lösungsmitteln (z. B. Chinolin) synthetisiert werden. Jedoch können nur thermisch stabile Amine für diesen Syntheseweg verwendet werden. Amine mit leicht abspaltbaren Zweitsub stituenten am Alkyl- oder Arylrest, wie Carbon-, Sulfon- oder Schwefelsäuregruppen können nur bei milden Bedingungen zur Reaktion gebracht werden. PTCDA läßt sich mit Glycin in einem DMSO/H2O-Gemisch bei 100°C umsetzen. Auf diese Weise kann ein einheitliches Produkt nach etwa drei Stunden erhalten werden. Die Fig. 4 stellt schematisch die Darstellung symmetrischer Perylene dar.By heating 3,4,9,10-perylene tetracarboxylic acid, 3,4,9,10-perylene tetracarboxylic acid dianhydride (hereinafter referred to as PTCDA) can be synthesized. PTCDA can be used as the starting product for the preparation of the 3,4,9,10-perylene tetracarboxylic acid diimides (hereinafter referred to as PTCDI). PTCDIs can be used advantageously for the invention since they are easily accessible and easy to clean by sublimation or chromatography. The absorption maxi ma of the imides present in solution in monomer differ very little in the UV-Vis spectrum. The position of the absorption maxima is also very little influenced by the solvent used. The bands are at 525 nm, 489 nm and 458 nm. The fluorescence spectra with bands at 540 nm and 575 nm agree with different dyes within 5 nm. Symmetrical PTCDIs can be synthesized by heating PTCDA with an amine and a water-releasing agent (e.g. Zn acetate) in high-boiling solvents (e.g. quinoline). However, only thermally stable amines can be used for this synthetic route. Amines with easily removable second substituents on the alkyl or aryl radical, such as carbon, sulfonic or sulfuric acid groups, can only be reacted under mild conditions. PTCDA can be reacted with glycine in a DMSO / H 2 O mixture at 100 ° C. In this way, a uniform product can be obtained after about three hours. Fig. 4 schematically illustrates the representation symmetrical perylenes.
Als weiterhin bevorzugter molekularer organischer Halbleiter seien Synthese und Eigenschaften von Phorphyrinen kurz erläutert. Phorphyrine kommen im Gegensatz zu Phthalocyaninen und Perylenen in der Natur vor. Sie übernehmen wichtige biochemische Funktionen bei Tieren und Pflanzen. Sie bilden beispielsweise die prostetische Gruppe im Hämoglobin und Myoglobin und sind somit für den Sauerstofftransport im Blut verantwortlich. In den Cytochromen spielen sie beim Elektronentransport eine entscheidende Rolle. Phoryphine werden durch Cyclokon densation von Pyrrolderivaten mit Aldehyden, vorzugsweise im sauren Millieu, dargestellt. Die Umsetzung von Pyrrol mit Formaldehyd zum unsubstituierten Porphin liefert geringe Ausbeuten. Bei der Umsetzung mit substituierten Aldehyden hingegen, die zu meso-substituierten Porphirinen führt, können bessere Ausbeuten erzielt werden. Die Fig. 5 zeigt das Reaktionsschema der Rothermund-Reaktion am Beispiel des 5,10,15,20-Tetrakis(p-phenylcarbonsäure)porphirins. Das Zen tralmetallion muß bei der in der Fig. 5 dargestellten Reaktion nachträglich eingeführt werden. The synthesis and properties of phorphyrins are briefly explained as a further preferred molecular organic semiconductor. In contrast to phthalocyanines and perylenes, phorphyrins occur naturally. They take on important biochemical functions in animals and plants. For example, they form the prosthetic group in hemoglobin and myoglobin and are therefore responsible for the oxygen transport in the blood. In the cytochromes, they play a crucial role in electron transport. Phoryphins are produced by cyclocondensation of pyrrole derivatives with aldehydes, preferably in an acidic environment. The conversion of pyrrole with formaldehyde to the unsubstituted porphin gives low yields. However, better yields can be achieved in the reaction with substituted aldehydes, which leads to meso-substituted porphirins. FIG. 5 shows the reaction scheme of the reaction Rothermund the example of 5,10,15,20-tetrakis (p-phenylcarboxylic acid) porphirins. The Zen tralmetallion must be introduced subsequently in the reaction shown in FIG. 5.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß die Gruppe durch Elektropolymerisation polymerisierbar ist. Bei dieser Ausführungsform läßt sich somit die Polymerisation und das Aufbringen des Polymers beispielsweise auf ein Substrat eines elektrischen Bauelementes mit Hilfe der Elektropolymerisation ausführen.Another preferred embodiment of the invention is characterized in that that the group is polymerizable by electropolymerization. At this Embodiment can thus the polymerization and the application of Polymers for example on a substrate of an electrical component with the help electropolymerization.
Die Gruppen selbst enthalten in bevorzugten Ausführungsformen mindestens ein Element aus der Menge aus Anilin, Pyrrol, Thiophen, Ethylen, Indol, Paraphenylen, Aminoanthracen, Aminoaphthalin, Aminophenol, Carbazol, Benzochinon, Acrylnitril, Pyrrolidone, Phenylendiamin, Tetrathiapentalen, Acrylsäure und Phenole und deren Derivate und Substituenten. Diese zur Modifikation der molekularen organischen Halbleiter dienenden polymerisierbaren Gruppen werden weiter unten bezüglich ihrer Polymerisation noch genauer beschrieben. Zur Verdeutlichung sind in den Fig. 37-44 die Strukturen von Aminophenol (Fig. 37), Aminoanthracen (Fig. 38), Aminoaphthalin (Fig. 39), Acrylsäure (Fig. 40), Tetrathiapentalen (Fig. 41), Carbazol (Fig. 42) Phyrrol (Fig. 43), Phenol (Fig. 44) dargestellt. Besonders bevorzugt ist es jedoch bei der Bindung dieser polymerisierbaren Gruppen an die molekularen organischen Halbleiter, daß diese Gruppen nicht direkt an dem molekularen organischen Halbleiter angeordnet werden, sondern daß dies nur mittelbar über eine zwischengeschaltete Molekülkette, einen sogenannten Spacer geschieht. Dieser Spacer enthält bevorzugt eine Molekülkette, die mindestens ein Element aus der Menge aus (CH2)n, (CFH)n, (CF2)n, OCO(CH2)n, OCO(CF2)n, OCO(CFH)n, COO(CH2)n, COO(CF2)n, COO(CHF)n, NH(CH2)n, NH(CF2)n, und NH(CHF)n enthält, wobei n = 0 bis 20 ist.In preferred embodiments, the groups themselves contain at least one element from the set consisting of aniline, pyrrole, thiophene, ethylene, indole, paraphenylene, aminoanthracene, aminoaphthalene, aminophenol, carbazole, benzoquinone, acrylonitrile, pyrrolidones, phenylenediamine, tetrathiapentalene, acrylic acid and phenols and their derivatives and substituents. These polymerizable groups used to modify the molecular organic semiconductors are described in more detail below with regard to their polymerization. For clarity, the structures of aminophenol aminoanthracene (Fig. 38), Aminoaphthalin (Fig. 39), acrylic acid (Fig. 40), tetrathiapentalene (Fig. 41), carbazole are shown in FIGS. 37-44 (Fig. 37), ( Fig. 42) Phyrrole ( Fig. 43), phenol ( Fig. 44). However, when these polymerizable groups are bound to the molecular organic semiconductors, it is particularly preferred that these groups are not arranged directly on the molecular organic semiconductor, but rather that this is done only indirectly via an interposed molecular chain, a so-called spacer. This spacer preferably contains a molecular chain which contains at least one element from the group consisting of (CH 2 ) n , (CFH) n , (CF 2 ) n , OCO (CH 2 ) n , OCO (CF 2 ) n , OCO (CFH) n , COO (CH 2 ) n , COO (CF 2 ) n , COO (CHF) n , NH (CH 2 ) n , NH (CF 2 ) n , and NH (CHF) n , where n = 0 to 20 is.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß das Polymer elektrisch leitfähig ist. Leitfähige Polymere sind Derivate von Polyenen, also Verbindungen mit ausgedehnten konjugierten Systemen. Sie weisen durch Oxidations- oder Reduktionsprozesse Überschußladun gen auf und können auch als Polymeresalze angesehen werden. In den Fig. 6a bis 6d sind idealisierte Kettenstrukturen der Polymere Polyacetylen (Fig. 6a), Polyvinyliden (Fig. 6b), Polypyrrol (Fig. 6c), und Polyanilin (Fig. 6d) dargestellt. Während der eigentlichen Polymerisation kommt es zu Vernetzungen und Verzweigungen. Pyrrole bilden sogar Ringstrukturen aus. Polyanilin und Polypyrrol lassen sich sowohl chemisch als auch elektrochemisch aus ihren Monomeren, Anilin bzw. Pyrrol polymerisieren. Die eletrochemische Polymerisation findet bei beiden Polymeren an der Anode statt. Wasserstoffperoxid und Eisen(III)chlorid eignen sich als Initiatoren für die chemische Synthese. Polyacetylen und Polyvinyliden hingegen können nur chemisch polymerisiert werden. Die Polymerisation von Acetylen wird auf gekühlten Substraten unter Verwendung von Ziegler-Natter-Katalysatoren durchgeführt. Polyvinyliden wird mit Hilfe eines Gemischs aus einem Oxidations mittel und einem Friedel-Crafts-Katalysator (CuCl2/AlCl3) aus Benzol hergestellt. Die hohen elektrischen Leitfähigkeiten entstehen durch bewegliche positive bzw. negative Ladungsträger (sogenannte Solitonen), die durch Dotierung entstehen. Die Dotierung kann entweder elektrochemisch während der Synthese der Polymere oder nachträglich durch Behandlung der Polymere mit Oxidations- bzw. Reduktions mitteln durchgeführt werden.Another preferred embodiment of the present invention is characterized in that the polymer is electrically conductive. Conductive polymers are derivatives of polyenes, i.e. compounds with extensive conjugated systems. They have excess charges due to oxidation or reduction processes and can also be viewed as polymer salts. In Figs. 6a to 6d are idealized chain structures of the polymers polyacetylene (Fig. 6a), polyvinylidene (Fig. 6b), polypyrrole (Fig. 6c), and polyaniline shown (Fig. 6d). Crosslinking and branching occur during the actual polymerization. Pyrroles even form ring structures. Polyaniline and polypyrrole can be polymerized both chemically and electrochemically from their monomers, aniline and pyrrole, respectively. In both polymers, the electrochemical polymerization takes place at the anode. Hydrogen peroxide and iron (III) chloride are suitable initiators for chemical synthesis. In contrast, polyacetylene and polyvinylidene can only be polymerized chemically. The polymerization of acetylene is carried out on cooled substrates using Ziegler-Natter catalysts. Polyvinylidene is made from a mixture of an oxidizing agent and a Friedel-Crafts catalyst (CuCl 2 / AlCl 3 ) from benzene. The high electrical conductivities result from movable positive or negative charge carriers (so-called solitons), which result from doping. The doping can either be carried out electrochemically during the synthesis of the polymers or subsequently by treating the polymers with oxidizing or reducing agents.
Durch die erfindungsgemäße Kombination der vorgenannten leitfähigen Polymere und von Bausteinen molekularer organischer Halbleiter ergibt sich vorteilhaft eine Kombination ihrer jeweiligen Eigenschaften. Durch die erfindungsgemäße Polymerisation der molekularen organischen Halbleiter über die oben erwähnten elektropolymerisierbaren Gruppen wird zunächst vor allem die Leitfähigkeit der so hergestellten Materialien angehoben. Darüber hinaus bilden die erfindungsgemäßen molekularen organischen Halbleiter redoxaktive Zentren für die Katalyse, die Elektrokatalyse und die Sensorik erfindungsgemäßer elektrischer Bauelemente in dem gut leitfähigen Grundgerüst der leitfähigen Polymere. Dabei haben die Polymere den Vorteil, daß man sie als heterogene Katalysatoren von dem jeweiligen Reaktionsgemisch abtrennen kann. Des weiteren bieten gerade die erfindungs gemäßen Kombinationen aus Porphyrinen und leitfähigen Polymeren Möglichkeiten Elektronentransferprozesse, ablaufen zu lassen. The combination of the aforementioned conductive polymers according to the invention and building blocks of molecular organic semiconductors advantageously result in one Combination of their respective properties. By the invention Polymerization of molecular organic semiconductors via those mentioned above Electropolymerizable groups are primarily the conductivity of the so manufactured materials raised. In addition, the invention molecular organic semiconductors redox active centers for catalysis that Electrocatalysis and the sensors of electrical components according to the invention in the highly conductive basic structure of the conductive polymers. The polymers the advantage that they are heterogeneous catalysts from each Can separate reaction mixture. Furthermore, the invention offers combinations of porphyrins and conductive polymers Electron transfer processes.
Es sei nun beispielhaft auf weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung hinsichtlich der polymerisierbaren Gruppen eingegangen. Auch sei auf die Synthese und Eigenschaften der mit Hilfe der polymerisierbaren Gruppen und der molekularen, organischen Halbleiter gebildeten Monomere zur Bildung des Polymers in dem erfindungsgemäßen Bauelement eingegangen. Diese bevorzugten Ausführungs formen des erfindungsgemäßen Bauelementes bzw. des zur Herstellung des erfindungsgemäßen Bauelementes verwendeten Verfahrens werden im folgenden ebenfalls auch anhand von Figuren der Zeichnung beschrieben.It is now an example of further preferred embodiments of the invention with regard to the polymerizable groups. Also be on the synthesis and properties of the groups that can be polymerized and the molecular monomers formed to form the polymer in the organic semiconductor Component according to the invention received. This preferred execution Form the component according to the invention or of the manufacture of the The method used in the device according to the invention are described below also described with reference to figures of the drawing.
Zunächst wird in diesem Zusammenhang auf die Synthese der Monomeren eingegangen. Dabei sind als p-leitende Monomere für die Elektropolymerisation pyrrol-substituierte Phthalocyanine interessant, bei denen die polymerisierbare Gruppe über einen Spacer angebracht ist, um die sterische Hinderung während der Polymerisation durch das Phthalocyanin zu minimieren. Das Synthesekonzept sollte die Möglichkeit zur Darstellung von pyrrol-substituierten Phthalocyaninen mit unterschiedlichen Spacerlängen beinhalten, um während der Herstellung die Feststellung zu ermöglichen, ob die Reaktivität der Monomeren mit der Spacerlänge zunimmt. Darüber hinaus ändern sich die elektrischen Eigenschaften der Polymere, wenn die Phthalocyanine als konjugierte Systeme durch längere aliphatische Spacer von den Pyrrolen getrennt sind. Im Rahmen der Erfindung wurde unter anderem Pyrrol-1-yl-Alkanol dargestellt. Die N-alkylierten Verbindungen haben den Vorteil, daß sie synthetisch leicht herstellbar sind, und die Länge der Alkylgruppe einfach zu variieren ist. Die Hydroxylgruppe bietet als funktionelle Gruppe Möglichkeiten zur Anbindung an das Phthalocyanin. Grundsätzlich kann die Anbindung an das Phthalocyanin durch zwei Synthesekonzepte verwirklicht werden. Die eine Möglichkeit ist, den gewünschten Substituenten während der Synthese einzuführen. Das geschieht meist durch die Synthese eines entsprechend substituierten Phthalonitrils. 4-Nitro-phthalonitril eignet sich als Ausgangssubstanz, da sich die Nitrogruppe durch aliphatische Hydroxylgruppen nukleophil substituieren läßt. Die andere Möglichkeit, die elektropolymerisierbare Gruppe einzuführen, ist die Substitution an Phthalocyaninen. Hier wird eine Veresterung eines Tetrakis-4- Carboxy-phenoxy-phthalocyanins bevorzugt. Dieses Konzept hat den Vorteil, daß man die polymerisierbare Gruppe nicht über den gesamten Syntheseverlauf als reaktive Gruppe am Molekül hat. Tetrakis-4-Carboxy-phenoxy-phthalocyanin besitzt jedoch eine geringe Löslichkeit in organischen Lösungsmitteln, so daß eine direkte Veresterung in organischen Lösungsmitteln nicht möglich ist. Bei Veresterungen über das Säurechlorid hat sich gezeigt, daß die Umsetzung nicht quantitativ an allen Substituenten abläuft. Der Syntheseweg über das 4-Nitro-phthalonitril wurde daher bevorzugt, da er saubere, vierfach substituierte Phthalocyanine liefert.First, in this connection, the synthesis of the monomers received. Here are p-type monomers for electropolymerization pyrrole-substituted phthalocyanines interesting, in which the polymerizable A spacer is attached to the steric hindrance during the group To minimize polymerization by the phthalocyanine. The synthesis concept should the possibility of using pyrrole-substituted phthalocyanines include different spacer lengths in order to produce the To determine whether the reactivity of the monomers with the spacer length increases. In addition, the electrical properties of the polymers change, when the phthalocyanines as conjugated systems by longer aliphatic spacers are separated from the pyrroles. Within the scope of the invention, among other things Pyrrol-1-yl alkanol shown. The N-alkylated compounds have the advantage that they are easily synthesized and the length of the alkyl group is simple is to be varied. The hydroxyl group offers possibilities as a functional group Connection to the phthalocyanine. Basically, the connection to the Phthalocyanine can be realized through two synthesis concepts. The one One possibility is to introduce the desired substituent during the synthesis. This usually happens through the synthesis of an appropriately substituted one Phthalonitrile. 4-nitro-phthalonitrile is suitable as a starting substance because the Nitro group can be substituted nucleophilically by aliphatic hydroxyl groups. The another way to introduce the electropolymerizable group is Substitution on phthalocyanines. Here is an esterification of a tetrakis-4- Carboxy-phenoxy-phthalocyanine preferred. This concept has the advantage that the polymerizable group is not considered to be over the entire course of the synthesis reactive group on the molecule. Tetrakis-4-carboxy-phenoxy-phthalocyanine has however, a low solubility in organic solvents, so that a direct Esterification in organic solvents is not possible. With esterifications About the acid chloride has been shown that the reaction is not quantitative at all Expires. The synthetic route via the 4-nitro-phthalonitrile was therefore preferred because it provides clean, tetrasubstituted phthalocyanines.
Die in Bezug auf diese Ausführungsform beschriebene Synthese läßt sich somit in
vier Teilbereiche untergliedern:
The synthesis described in relation to this embodiment can thus be divided into four parts:
- - Synthese der Pyrrol-1-yl-Alkanole- Synthesis of pyrrol-1-yl alkanols
- - Darstellung der Dinitrile- Representation of the dinitriles
- - Cyclotetramerisierung- cyclotetramerization
- - Einbau des Zentralmetallions.- Installation of the central metal ion.
Das Pyrrol-1-yl-alkanol läßt sich aus Pyrrolylkalium und dem entsprechenden Bromalkanol durch nukleophile Substitution in DMSO/THF darstellen. Mit 71% wies diese Reaktion die höchste Ausbeute zur Herstellung der Pyrrol-1-yl-Alkanole auf. Die Reaktion ist in der Fig. 7 schematisch dargestellt. Der eingesetzte Alkohol liegt dabei im Protolysegleichgewicht mit Pyrrolylkalium vor, welches aufgrund des kleineren pKs-Wertes des 2-Bromethanols vollständig auf dessen Seite liegt. Daher wird die doppelte molare Konzentration von Pyrrolylkalium, bezogen auf den Alkohol, eingesetzt. Es entsteht ein Produktgemisch aus Pyrrol und dem gewünsch ten Pyrrol-1-yl-alkanol. Die erforderliche säulenchromatographische Reinigung ist jedoch relativ zeitaufwendig. Darüber hinaus wurden bei von den Erfindern durchgeführten Versuchsreihen noch Verunreinigungen im Produkt nachgewiesen. Es wird daher für die Erfindung bevorzugt, die gewünschten Pyrrol-1-yl-Alkanole nach einer leicht abgewandelten Vorschrift darzustellen. Dabei wird auf die Herstellung von Pyrrolylkalium verzichtet. Es wird vielmehr zur Deprotonierung Kalium-t-Butylat hinzugesetzt. Das Pyrrolylkalium wird bei dieser Reaktion in situ erzeugt. Auf den Überschuß an Pyrrol kann somit bei dieser Reaktion verzichtet werden, so daß Pyrrol-1-Alkanol als einziges Monomer entsteht. Darüber hinaus läßt sich Kronenether als Phasentransferkatalysator hinzusetzen, wodurch die Reaktion auch in niedrigsiedenden Lösungsmitteln erfolgreich durchgeführt werden kann. Die Aufreinigung erfolgt bei dieser bevorzugten Variante durch Destillation im Ölpumpenvakuum über eine Vigreux-Kolonne. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen Syntheseverfahrens wurde ebenfalls - wie bei der oben erläuterten Synthese - ein Produktgemisch erhalten. Auch wurde bei beiden beschriebenen Synthesen eine Reaktion der ungeschützten Hydroxylgruppe unter den vorhandenen basischen Bedingungen mit noch vorhandenem Brom-Alkanol zu Ether festgestellt.The pyrrol-1-yl alkanol can be prepared from pyrrolyl potassium and the corresponding bromoalkanol by nucleophilic substitution in DMSO / THF. At 71%, this reaction had the highest yield for the preparation of the pyrrol-1-yl alkanols. The reaction is shown schematically in FIG. 7. The alcohol used is in the protolysis equilibrium with pyrrolyl potassium, which is due to the smaller pKa value of 2-bromoethanol on its side. Therefore, double the molar concentration of pyrrolyl potassium, based on the alcohol, is used. A product mixture of pyrrole and the desired pyrrol-1-yl alkanol is formed. However, the required column chromatographic purification is relatively time consuming. In addition, in the test series carried out by the inventors, impurities were still detected in the product. It is therefore preferred for the invention to prepare the desired pyrrol-1-yl alkanols according to a slightly modified procedure. The production of pyrrolyl potassium is dispensed with. Rather, potassium t-butoxide is added for deprotonation. The pyrrolyl potassium is generated in situ in this reaction. The excess of pyrrole can thus be dispensed with in this reaction, so that pyrrole-1-alkanol is the only monomer. In addition, crown ether can be added as a phase transfer catalyst, which means that the reaction can also be carried out successfully in low-boiling solvents. In this preferred variant, the purification is carried out by distillation in an oil pump vacuum via a Vigreux column. In this embodiment of the synthesis method according to the invention, a product mixture was likewise obtained, as in the synthesis explained above. In both syntheses described, a reaction of the unprotected hydroxyl group under the existing basic conditions with bromine-alkanol still present to ether was found.
Es ist daher bei der vorliegenden Erfindung für die Synthese der Monomere noch weiter bevorzugt, wenn die in der Fig. 8 schematisch dargestellte Darstellungs methode verwendet wird. Bei dieser Synthese von Pyrrol-1-yl-Alkanol wird der Aminoalkanol zunächst mit Essigsäure verestert, bevor das Dimethoxytetrahydro furan zugegeben wird. Die Aminogruppe substituiert den Sauerstoff im Dimetoxy tetrahydrofuran und bei höheren Temperaturen werden die Metoxygruppen thermisch eliminiert, so daß der Essigesther des Pyrrol-1-yl-Alkanols entsteht. Dieser wird dann anschließend in Methanol durch Zugabe von KOH gespalten. Die Aufreinigung erfolgt durch Destillation im Ölpumpenvakuum über eine Vigreux- Kolonne. Die Ausbeute des Rohproduktes liegt bei etwa 70%. Ein Vorteil dieses Syntheseweges ist die problemlose Durchführung von großen Ansätzen. Diese Vorschrift läßt sich ohne weiteres für n = 2 durchführen.It is therefore even more preferred for the synthesis of the monomers in the present invention if the representation method shown schematically in FIG. 8 is used. In this synthesis of pyrrol-1-yl alkanol, the aminoalkanol is first esterified with acetic acid before the dimethoxytetrahydro furan is added. The amino group substitutes the oxygen in the dimetoxy tetrahydrofuran and at higher temperatures the metoxy groups are thermally eliminated, so that the ethyl acetate of the pyrrol-1-yl alkanol is formed. This is then split into methanol by adding KOH. The purification is carried out by distillation in an oil pump vacuum over a Vigreux column. The yield of the crude product is around 70%. An advantage of this synthetic route is the problem-free implementation of large batches. This rule can easily be carried out for n = 2.
Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Ausbeute des Reinproduktes aufgrund der hohen Verluste bei der Destillation von der Ansatzgröße abhängt. Die oben erläuterte Vorschrift sollte für n = 3 und n = 5 variiert werden. Dabei wird 2-Hydroxyethyla min in der Vorschrift in vierfachem Überschuß, bezogen auf das Dimethoxy tetrahydrofuran eingesetzt. Da es sich um eine Flüssigkeit handelt, kann es problemlos zugetropft werden. 3-Hydroxypropyiamin ist eine hochviskose Flüssigkeit und 5-Hydroxypenthylamin ein Feststoff. Zum Zutropfen wurde 3- Hydroxypropylamin mit 30 ml n-Propanol gemischt und 5-Hydroxypenthylamin in n-Propanol gelöst. Aus ökonomischen Gründen sollten beide Amine in nur geringem Überschuß (1,3- bzw. 1,5-fach) eingesetzt werden. Des weiteren hat sich erwiesen, daß bei den längerkettigen Alkoholen die Estherspaltung nach Rühren über Nacht nicht abgeschlossen ist. Aus diesem Grunde sollte die Aufarbeitung bevorzugt vor der Estherspaltung variiert werden. Um dabei die Essigsäure möglichst vollständig vom Essigsäure-ω-pyrrol-1-yl-alcylylesther abzutrennen, werden dis vereingten organischen Phasen dreimal mit gesättigter Kaliumhydrogencarbonat-Lösung gewaschen. Die Reaktionszeit der anschließenden Estherspaltung wird auf 20 Stunden festgesetzt. Die Ausbeuten liegen unabhängig von der Kettenlänge zwischen 25 und 60%.However, it has been shown that the yield of the pure product due to the high Losses during distillation depend on the batch size. The explained above The rule should be varied for n = 3 and n = 5. It is 2-hydroxyethyl min in the regulation in fourfold excess, based on the dimethoxy tetrahydrofuran used. Since it is a liquid, it can can be easily added dropwise. 3-hydroxypropyiamine is a highly viscous Liquid and 5-hydroxypenthylamine a solid. 3- was added dropwise Hydroxypropylamine mixed with 30 ml n-propanol and 5-hydroxypenthylamine in n-propanol dissolved. For economic reasons, both amines should be in only a small amount Excess (1.3 or 1.5 times) can be used. Furthermore, it has been shown that with the longer-chain alcohols, the ester cleavage after stirring overnight is not completed. For this reason, the reprocessing should be preferred the ester cleavage can be varied. To make the acetic acid as complete as possible to separate from the acetic acid-ω-pyrrol-1-yl-alcylyl ester, dis are united organic phases three times with saturated potassium hydrogen carbonate solution washed. The reaction time of the subsequent ester cleavage is 20 Hours. The yields are independent of the chain length between 25 and 60%.
Die Darstellung des 4-(2-Pyrrol-1-yl-ethoxy)-Phthalonitril und des 4-(3-Pyrrol-1-yl- propoxy)-Phthalnitril erfolgt gemäß dem schematisch in der Fig. 9 dargestellten Prinzip. Bei der dort abgebildeten Darstellung handelt es sich um eine nukleophile Substitution am Aromaten. Durch den -M-Effekt der Cyano-Gruppen ist die Elektronendichte an der C4-Position im Aromaten abgesenkt Nitrofunktionen sind gute Abgangsgruppen und können daher durch Hydroxylgruppen substituiert werden. Bei dieser Substitutionsreaktion zeigen aromatische Hydroxylgruppen die höchste Reaktivität. Die Reaktivität nimmt bei aliphatischen Hydroxylgruppen mit steigender Kettenlänge ab. Das Verhältnis der Edukte wird verändert, um die Aufarbeitung zu vereinfachen. In der beschriebenen Darstellung werden der Alkohol und das Nitrophthalonitril im molaren Verhältnis 1 : 1 eingesetzt. Um einen vollständigen Umsatz des Nitrophthafonitrils zu gewährleisten, wird der Alkohol in mindestens 1,3-fachen Überschuß eingesetzt, so daß auf die chromatographische Abtrennung des Nitrophthalonitrils vorteilhaft verzichtet werden kann. Bei der Darstellung von 4-(3-Pyrrol-1-yl-propoxy)-phthalnitril wird die Reaktionszeit zusätzlich um 4d erhöht. Das Ausfällen der Rohprodukte gelingt in beiden Fällen erst nach vorsichtigem Neutralisieren. In saurer Lösung beginnt das Pyrrol zu polymerisieren, was zu erheblichen Ausbeuteverlusten führt, so daß ein Ansäuern vermieden werden sollte. Die Kristalle bilden sich nur in eiskalter Lösung oder nach vollständiger Abtrennung von Verunreinigungen. Bei 4-(3-Pyrrol-1-yl-propoxy)- phthalonitril beträgt die Kristallisationszeit etwa 4 Wochen. Es ist daher bei der hier beschriebenen, bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Synthesever fahrens bevorzugt, das Produkt als Öl weiter einzusetzen, wenn die MS- und NMR- Spektren keine Verunreinigungen mehr aufweisen. Die Ausbeute sinkt mit zunehmender Kettenlänge.The 4- (2-pyrrol-1-yl-ethoxy) -phthalonitrile and the 4- (3-pyrrol-1-yl-propoxy) -phthalenitrile are prepared according to the principle shown schematically in FIG. 9. The representation shown there is a nucleophilic substitution on the aromatic. Due to the -M effect of the cyano groups, the electron density at the C 4 position in the aromatic system is reduced. Nitrofunctions are good leaving groups and can therefore be substituted by hydroxyl groups. In this substitution reaction, aromatic hydroxyl groups show the highest reactivity. With aliphatic hydroxyl groups, the reactivity decreases with increasing chain length. The ratio of the educts is changed to simplify the processing. In the description described, the alcohol and the nitrophthalonitrile are used in a molar ratio of 1: 1. In order to ensure complete conversion of the nitrophthafonitrile, the alcohol is used in at least a 1.3-fold excess, so that the chromatographic separation of the nitrophthalonitrile can advantageously be dispensed with. When 4- (3-pyrrol-1-yl-propoxy) -phthalonitrile is prepared, the reaction time is additionally increased by 4d. In both cases, the raw products can only be precipitated after careful neutralization. The pyrrole begins to polymerize in acidic solution, which leads to considerable losses in yield, so that acidification should be avoided. The crystals only form in ice-cold solution or after complete removal of impurities. With 4- (3-pyrrol-1-yl-propoxy) phthalonitrile, the crystallization time is about 4 weeks. In the preferred embodiment of the synthesis method according to the invention described here, it is therefore preferred to continue using the product as an oil if the MS and NMR spectra no longer have any impurities. The yield decreases with increasing chain length.
Die Cyclotetramerisierung zum 2,9,16,23-Tetrakis-(pyrrol-1-yl-alkoxy)-phthalocyanin wird gemäß der in Fig. 10 schematisch dargestellten Vorschrift durchgeführt. Dabei wird 0,2 g-0,5 g Dinitril unter Stickstoff in siedendem Pentanol gelöst. Dabei wird eine Spatelspitze Lithium hinzugegeben und eine Dreiviertelstunde gerührt. Bei der Herstellung hat sich gezeigt, daß ein Verlängern der Reaktionszeit auf eine Stunde die Ausbeute erhöht. Nach der Reaktion wird zunächst das Pentanol vollständig im Vakuum entfernt und das zurückbleibende Öl zum Ausfällen in Methanol/Wasser- Gemisch (Volumenverhältnis 1 : 1) gegeben. Beim Tetrakis-(pyrrol-1-yl-alkoxy)- phthalocyanin wird Lithium als Zentralmetall durch Waschen mit dem Methanol/- Wasser-Gemisch entfernt. Um das Lithium im Tetrakis-(pyrrol-1-yl-alkoxy)- phthalocyanin zu entfernen, wird das Phthalocyanin in pH 5 Puffer gerührt, anschließend abfiltriert und mit Wasser neutralisiert. Von einer Behandlung in Essigsäure ist abzusehen, da dies zu einem hohen Verlust durch Polymerisation führt. Für die Darstellung der zentralmetallhaltigen Phthalocyanine wird die Vorschrift abgewandelt. Die Metallierung wird ohne Aufarbeitung in Pentanol durch Zugabe des entsprechenden Metallsalzes zum Ansatz der Cyclotetramerisierung durchgeführt. Die Produktkontrolle erfolgt über UV-Vis-Spektroskopie. Es hat sich erwiesen, daß Zink und Kobalt starke Wechselwirkungen zum Komplex ausbilden. Nickel hingegen läßt sich durch Waschen mit Wasser aus dem Phthalocyanin herausextrahieren. Die Aufarbeitung des Produktes erfolgt aus diesem Grund nicht mit Methanol/Wasser-Gemisch, sondern in reinem Methanol. Die erzielbaren Ausbeuten liegen bei weit über 80%. The cyclotetramerization to give 2,9,16,23-tetrakis (pyrrol-1-yl-alkoxy) phthalocyanine is carried out according to the procedure shown schematically in FIG. 10. 0.2 g-0.5 g dinitrile is dissolved in boiling pentanol under nitrogen. A spatula tip of lithium is added and the mixture is stirred for three quarters of an hour. During production it has been shown that increasing the reaction time to one hour increases the yield. After the reaction, the pentanol is first removed completely in vacuo and the remaining oil is added to the methanol / water mixture (volume ratio 1: 1) to precipitate. In tetrakis (pyrrol-1-yl-alkoxy) phthalocyanine, lithium as the central metal is removed by washing with the methanol / water mixture. In order to remove the lithium in tetrakis (pyrrol-1-yl-alkoxy) phthalocyanine, the phthalocyanine is stirred in pH 5 buffer, then filtered off and neutralized with water. Treatment in acetic acid should be avoided as this leads to a high loss due to polymerization. The regulation is modified for the preparation of phthalocyanines containing central metal. The metalation is carried out without working up in pentanol by adding the corresponding metal salt to the cyclotetramerization batch. The product is checked using UV-Vis spectroscopy. Zinc and cobalt have been shown to have strong interactions with the complex. Nickel, on the other hand, can be extracted from the phthalocyanine by washing with water. For this reason, the product is not processed with a methanol / water mixture, but in pure methanol. The yields that can be achieved are well over 80%.
Bei den Perylenen werden als n-Leiter Grundgerüste bevorzugt, die sich - je nach Wahl der polymerisierbaren Gruppe - sowohl anodisch als auch kathodisch polymeri sieren lassen. Als n-leitender molekularer organischer Halbleiter wird das 3,4,9,10- Perylentetracarbodiimid bevorzugt. Die polymerisierbaren Gruppen sollten dabei so angebracht sein, daß sie keinen Einfluß auf das konjugierende System haben, um den Leitungscharakter nicht zu verändern. Da am Stickstoff des Diimides ein Knoten im HOMO und LUMO liegt, variieren dort angebrachte Reste die elektronischen Eigenschaften des Systems nicht. Als katodisch polymerisierbare Gruppe ist Hydroxyphenylsubstituent bevorzugt. Als anodisch polymerisierbare Gruppe wird ein Aminophenylsubstituent gewählt.In the case of the perylenes, basic structures are preferred as n-conductors, which - depending on Choice of polymerizable group - both anodic and cathodic polymeric let sieren. As an n-type molecular organic semiconductor, the 3,4,9,10- Perylene tetracarbodiimide is preferred. The polymerizable groups should be like this appropriate that they have no influence on the conjugating system in order not to change the line character. There is a knot on the nitrogen of the diimide in the HOMO and LUMO, the residues attached there vary the electronic ones System properties are not. As a cathodically polymerizable group Hydroxyphenyl substituent preferred. As an anodically polymerizable group selected an aminophenyl substituent.
Die Synthesen können wie folgt untergliedert werden:
The syntheses can be broken down as follows:
- - Darstellung des 1,6,7,12-Tetrachloro-3,4,9,10-perylentetracarbonsäureanhy drid- Representation of 1,6,7,12-tetrachloro-3,4,9,10-perylenetetracarbonsäureanhy drid
- - Darstellung der Perylen-3,4,9,10-tetracarbodiimide aus Diaminoverbindungen- Presentation of the perylene-3,4,9,10-tetracarbodiimide from diamino compounds
- - Darstellung der Perylen-3,4,9,10-tetracarbonsäurediimide aus Monoamino verbindunge, wobei die Darstellung der Perylen-3,4,9,10-tetracarbodiimide und der 1,6,7,12-Tetrachloro-3,4,9,10-perylentetracarbodiimide nach den selben Synthesevorschriften durchgeführt wurden.- Preparation of the perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic acid diimides from monoamino connections, the representation of the perylene-3,4,9,10-tetracarbodiimide and the 1,6,7,12-tetrachloro-3,4,9,10-perylenetetracarbodiimide according to the same synthesis instructions were carried out.
Die Darstellung des 1,6,7,12-Tetrachloro-3,4,9,10-perylentetracarbonsäureanhy drids erfolgt gemäß der in der Fig. 11 schematisch abgewickelten Vorschrift durch Chlorierung des Anhydrids. Chlorsulfonsäure eignet sich zum Einführen von Chlor an Aromaten. Iod fungiert bei dieser Reaktion als Katalysator. Die Umsetzung erzielt eine Ausbeute von 98%.The 1,6,7,12-tetrachloro-3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid anhydride is prepared by chlorinating the anhydride in accordance with the procedure schematically processed in FIG. 11. Chlorosulfonic acid is suitable for introducing chlorine onto aromatics. Iodine acts as a catalyst in this reaction. The reaction achieved a yield of 98%.
Die Synthesen der Perylen-3,4,9,10-tetracarbodiimide und der 1,6,7,12-Tetrachloro- 3,4,9,10-perylentetracarbodiimide werden gemäß Fig. 12 durchgeführt. Die Diaminokomponente wird bei dieser Vorschrift in über 10-fachem Überschuß eingesetzt, um die Wahrscheinlichkeit einer Polykondensation abzusenken. Es ist weiter bevorzugt darauf zu achten, kanzerogene Lösungsmittel weitgehend zu vermeiden. Anstatt Benzol läßt sich beispielsweise Toluol bzw. Xylol verwenden, wenn es aufgrund der Löslichkeit der Edukte möglich ist. Trotz des hohen Überschusses der Diamonokomponente läßt sich das Perylentetracarbonsäuredian hydrid nicht vollständig umsetzen. Durch Kochen in Kaliumhydroxid lassen sich die Anhydridgruppen dieser Verindung in zwei Carbonsäuregruppen überführen. Die entstandene Perylentetracarbonsäure ist in Kaliumhydroxid löslich und kann so abgetrennt werden. Die entstandenen Produkte sind in Ameisensäure löslich und konnten so von entstandenen Polymeren abgetrennt werden. Die Produkte lassen sich auch durch eine zweistufige Synthese aus den entsprechenden Monoaminoni troverbindungen herstellen, indem man in einem ersten Reaktionsschritt die Perylencarbodiimide synthetisiert und anschließend die Nitrogruppen reduziert.The syntheses of the perylene-3,4,9,10-tetracarbodiimide and the 1,6,7,12-tetrachloro-3,4,9,10-perylene tetracarbodiimide are carried out according to FIG. 12. In this specification, the diamino component is used in a 10-fold excess in order to reduce the probability of polycondensation. It is also preferable to largely avoid carcinogenic solvents. For example, toluene or xylene can be used instead of benzene if it is possible due to the solubility of the starting materials. Despite the high excess of the diamonic component, the perylenetetracarboxylic acid dianhydride cannot be completely converted. The anhydride groups of this compound can be converted into two carboxylic acid groups by boiling in potassium hydroxide. The perylene tetracarboxylic acid formed is soluble in potassium hydroxide and can thus be separated off. The resulting products are soluble in formic acid and could thus be separated from the resulting polymers. The products can also be prepared in a two-stage synthesis from the corresponding monoaminon tro compounds by synthesizing the perylene carbodiimides in a first reaction step and then reducing the nitro groups.
Gemäß Fig. 13 läßt sich das Perylen-3,4,9,10-tetracarbonsäurediimid aus Monoaminoverbindungen darstellen. Dabei verläuft für X = H die Umsetzung quantitativ, für X = Cl beträgt die Ausbeute 20%. Die Reaktivität des Perylen- 3,4,9,10-tetracarbonsäurediimid wird durch die Einführung der Chloratome stark herabgesetzt. Eine Inhibierung der Reaktivität durch die Chloratome bei Umsetzung mit Diaminokomponenten erfolgt nicht.Referring to FIG. 13, the perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic diimide of monoamino compounds can be represented. The conversion is quantitative for X = H and the yield is 20% for X = Cl. The reactivity of the perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic acid diimide is greatly reduced by the introduction of the chlorine atoms. The chlorine atoms do not inhibit reactivity when reacting with diamino components.
Im folgenden wird nun auf weitere Details der erfindungsgemäßen Elektropolymeri sation der Phthalocyanine eingegangen. Um die Eduktmengen für die Elek tropolymerisation zu minimieren, wird eine Einkompartimentzelle mit 5 ml Volumen verwendet, in der sich eine 1 × 1 cm große Arbeitselektrode aus ITO (Indium-Zinn- Oxid), ein ebensogroßes Platinnetz als Gegenelektrode und ein Silberdraht als Bezugselektrode befinden. Der Silberdraht dient als Quasibezugselektrode und sollte nach jeder Messung gegen Ferrocen geeicht werden. Bei der Verwendung von Hg/HgCl oder Ag/AgCl als Bezugselektrode können Wasserspuren in das Lösungs mittel gelangen. Da geringe Mengen an Verunreinigungen oder Wasserspuren die an der Anode entstehenden Radikale abfangen und die Polymerisation inhibieren können, sollte keine direkte Bezugselektrode verwendet werden. Die Elektropolymerisation kann mit zwei verschiedenen Abscheidungsmethoden stattfinden: Der potentiostatischen Abscheidung und der potentiodynamischen Abscheidung. Bei der potentiostatischen Abscheidung wird ein konstantes Potential zwischen der Bezugs- und der Arbeitselektrode angelegt, während bei der potentiodynamischen Abscheidung ein zyklisch varrierendes Potential verwendet wird. Eine weitere Abscheidungsmöglichkeit besteht in der Reaktion bei konstantem Stromfluß (galvanostatisch) oder gezielt vorgegebenen variierendem Stromfluß (galvanodyna misch). Die Polymerisationsbedingungen sollten sowohl für die potentiostatische als auch für die potentiodynamische Abscheidung auf eine maximal erreichbare Schichtdicke hin optimiert werden. Von den Erfindern wurden außer den Pyrrol-sub stituierten Phthalocyaninen auch Tetraminophthalocyaninato-Nickel als Vergleichs substanz verwendet. Aufgrund der geringen Löslichkeit der Monomeren (3.10-4 bis 9.10-4 mol/l) sollte mit einer gesättigten Lösung gearbeitet werden. Damit die Lösung über die gesamte Reaktionszeit die gleiche Konzentration aufweist, sollten etwa jeweils 10-3 mol/l eingesetzt werden. Die Spannungen in den in den Figuren dargestellten Cyclovoltamogrammen sind jeweils gegen SCE angegeben.In the following, further details of the electropolymerization of the phthalocyanines according to the invention will now be discussed. In order to minimize the educt quantities for electropolymerization, a single compartment cell with a volume of 5 ml is used, in which there is a 1 × 1 cm working electrode made of ITO (indium tin oxide), an equally large platinum mesh as counter electrode and a silver wire as reference electrode . The silver wire serves as a quasi reference electrode and should be calibrated against ferrocene after each measurement. If Hg / HgCl or Ag / AgCl is used as the reference electrode, traces of water can get into the solvent. Because small amounts of contaminants or traces of water can trap the radicals that form on the anode and inhibit the polymerization, a direct reference electrode should not be used. Electropolymerization can take place using two different deposition methods: potentiostatic deposition and potentiodynamic deposition. In the case of potentiostatic deposition, a constant potential is applied between the reference and the working electrode, while in the case of the potentiodynamic deposition, a cyclically varying potential is used. Another separation option consists in the reaction with constant current flow (galvanostatic) or specifically predetermined varying current flow (galvanodynamic mix). The polymerization conditions should be optimized for the maximum achievable layer thickness for both the potentiostatic and the potentiodynamic deposition. In addition to the pyrrole-substituted phthalocyanines, the inventors also used tetraminophthalocyaninato-nickel as a comparison substance. Due to the low solubility of the monomers (3.10 -4 to 9.10 -4 mol / l), a saturated solution should be used. So that the solution has the same concentration over the entire reaction time, about 10 -3 mol / l should be used in each case. The voltages in the cyclic voltamograms shown in the figures are given against SCE.
Bei der Cyclovoltammetrie werden Dreiecks-Spannungen zwischen der Arbeits- und
der Referenzelektrode mit Hilfe eines Potentiostaten angelegt. Dazu wird das
Potential zwischen einem Anfangs- und einem Umkehrpotential mit der Zeit
kontinuierlich geändert. Die zwischen der Arbeits- und der Gegenelektrode
fließenden Ströme werden gemessen. Durch Division der Ströme durch die aktive
Elektrodengröße erhlt man die Stromdichten. Cyclovoltammogramme sind die aus
dieser Meßtechnik resultierende Auftragungen der Ströme bzw. Stromdichten gegen
die Spannungen. Reaktion 1 zeigt ein Cyclovoltammogramm einer Substanz die in
Lösung folgende Reaktion eingehen kann:
In cyclic voltammetry, triangular voltages are applied between the working and reference electrodes using a potentiostat. For this purpose, the potential between an initial and a reversal potential is continuously changed over time. The currents flowing between the working and counter electrodes are measured. The current densities are obtained by dividing the currents by the active electrode size. Cyclic voltammograms are the plots of the currents or current densities against the voltages resulting from this measuring technique. Reaction 1 shows a cyclic voltammogram of a substance which can react as follows in solution:
Die von der Elektrode aufgenommene bzw. abgegebenen Ladungen Q erhält man
durch Integration der Kurve:
q = ∫ idt Gleichung 1The charges Q picked up or given off by the electrode are obtained by integrating the curve:
q = ∫ idt equation 1
Man unterscheidet bei der Cyclovoltammetrie drei Grenzbereiche:
A distinction is made between three limit ranges in cyclic voltammetry:
- - die reversible Reaktion- the reversible reaction
- - die quasireversible Reaktion- the quasi-reversible reaction
- - die irreversible Reaktion.- the irreversible reaction.
Bei der reversiblen Reaktion liegt der Abstand des kathodischen und anodischen
Peakpotential zwischen 57 und 60 mV. Der theoretisch berechnete Wert von 59,2 mV
wird selten gemessen, da es durch Widerstandseffekte der Lösung zu kleinen
Verzerrungen kommt. Die Ladungsmengen qA und qk sind betragsmäßig gleich
groß. Das Peakpotential läßt sich durch folgende Formel bestimmen:
In the reversible reaction, the distance between the cathodic and anodic peak potential is between 57 and 60 mV. The theoretically calculated value of 59.2 mV is rarely measured because the resistance effects of the solution lead to small distortions. The amounts of charge q A and q k are of equal magnitude. The peak potential can be determined using the following formula:
Ist die Rate des Elektronentransfers langsam im Vergleich zur Zeitscala (bei großen Vorschubgeschwindigkeiten) so ist das thermodynamische Gleichgewicht zwischen A und A' gestört. Der Abstand der Peakpotentiale vergrößert sich. Für den Fall kann das Redoxpotential nicht mehr exakt bestimmt werden. Man spricht von einer Quasi-reversiblen Reaktion. Gleichung 2 wird zumeist für eine Näherung des Redoxpotentials verwendet.Is the rate of electron transfer slow compared to the time scale (for large Feed speeds) is the thermodynamic equilibrium between A and A 'disturbed. The distance between the peak potentials increases. Just in case the redox potential can no longer be determined exactly. One speaks of one Quasi-reversible reaction. Equation 2 is mostly used to approximate the Redox potentials used.
Überlappen die Peaks der anodischen und kathodischen Reaktion nicht mehr, spricht man im elektrochemischen Sinn von einer irreversiblen Reaktion. Die gezeigten Cyclovoltammogramme sind keine irreversiblen Reaktionen im elek trochemischen Sinn, sondern sie sind von der chemischen Natur her irreversibel. Bei diesen Reaktionen lassen sich keine Redoxpotentiale angeben. If the anodic and cathodic reaction peaks no longer overlap, one speaks in the electrochemical sense of an irreversible reaction. The Cyclic voltammograms shown are not irreversible reactions in the elec trochemical sense, but they are irreversible in chemical nature. At no redox potentials can be given for these reactions.
Die Figuren der Zeichnung zeigen die Veränderungen der Cyclovoltamogramme während der potentiodynamischen Polymerisation. Die erhaltenen Schichtdicken und die aufgenommenen Ladungen werden anschließend im Vergleich zu den potentiostatischen Polymerisationen diskutiert. Es werden pro Monomer jeweils zwei Cyclovoltammogramme (CV) gezeigt. Im ersten CV gemäß Fig. 14 sind die ersten fünf Zyklen zu sehen, um die Veränderungen des Potentials zwischen Monomer und Polymer zu verdeutlichen. Im zweiten CV gemäß Fig. 15 ist jeder fünfte Zyklus aufgetragen, um die Sättigung der Ströme aufzuzeigen. Vorweg werden die einzelnen Polymerisationsparameter optimiert. Die hier gezeigten potentiodynamischen Elektropofymerisationen werden bei einer Vorschabge schwindigkeit von 10 mV/s durchgeführt. Eine Steigerung derScangeschwindigkeit führt zu weniger ausgeprägten Oxidations- und Reduktionspeaks und zu geringeren Filmdicken nach gleicher Abscheidungszeit. Als Lösungsmittel werden Acetonitril, Dichlormethan (DCM) und Dimethylformamid (DMF) verwendet. Die Pyrrol substituierten Phthalocyanine erreichen aus DCM die größten Schichtdicken und das Tetraamino-Phthalocyaninato-Nickel aus DMF. Als Leitsalze werden Tetrabuty laminoniumtetrafluorophorat (TBABF4), Tetrabutylamoniumperchlorad (TBACIO4) und Tetrabutylamoniumhexafluorophosphat (TBAPF6) untersucht, wobei die Ab scheidung des Tetraaminophthalocyaninato-Nickel optimal aus einer Lösung mit 0,1 mol/l TBACIO4 gelingt. Die Pyrrol-substituierten Phthalocyanine hingegen erreichen bei der Abscheidung aus 0,1 mol/l TBAPF6 die größten Schichtdicken. Die potentiodynamische Polymerisation wird jeweils nach zwei Stunden abgebrochen. Die nachfolgende Tabelle soll einen Überblick über die optimierten Reaktions bedingungen gemäß der Erfindung geben: The figures in the drawing show the changes in the cyclic voltamograms during the potentiodynamic polymerization. The layer thicknesses obtained and the charges absorbed are then discussed in comparison to the potentiostatic polymerizations. Two cyclic voltammograms (CV) are shown for each monomer. The first CV according to FIG. 14 shows the first five cycles to illustrate the changes in the potential between the monomer and the polymer. In the second CV according to FIG. 15, every fifth cycle is plotted to show the saturation of the currents. The individual polymerization parameters are optimized beforehand. The potentiodynamic electro-polymerizations shown here are carried out at a speed of 10 mV / s. Increasing the scanning speed leads to less pronounced oxidation and reduction peaks and to lower film thicknesses after the same deposition time. Acetonitrile, dichloromethane (DCM) and dimethylformamide (DMF) are used as solvents. The pyrrole-substituted phthalocyanines achieve the greatest layer thicknesses from DCM and the tetraamino-phthalocyaninato nickel from DMF. Tetrabuty laminonium tetrafluorophorate (TBABF 4 ), tetrabutylamonium perchlorad (TBACIO 4 ) and tetrabutylamonium hexafluorophosphate (TBAPF 6 ) are investigated as conductive salts, whereby the separation of the tetraaminophthalocyaninato-nickel succeeds optimally from a solution with 0.1 mol / l TBACIO 4 . In contrast, the pyrrole-substituted phthalocyanines achieve the greatest layer thicknesses when deposited from 0.1 mol / l TBAPF 6 . The potentiodynamic polymerization is terminated every two hours. The following table is intended to give an overview of the optimized reaction conditions according to the invention:
Die potentiodynamische Elektropolymerisation von Tetraaminophthalocyaninato- Nickel wird in DMF mit 0,1 mol TBACIO4 als Leitsalz durchgeführt. Das Monomer besitzt drei Oxidationspeaks (0,29 V; 0,72 V; 0,98 V) und zwei Reduktionspeaks (0,55 V; 0,95 V). Die Lage der Oxidationspeaks verschiebt sich beim Übergang vom Monomeren zum Oligomeren deutlich zu positiveren Potentialen. Der erste Oxidationspeak des Oligomeren liegt bei 0,55 V und der zweite bei 0,95 V. Der dritte Oxidationspeak ist beim Oligomeren außerhalb des abgefahren Spannungs bereiches. Der zweite Reduktionspeak verschiebt sich nicht (0,87 V). Hingegen ist der erste Reduktionspeak des Oligomeren leicht zu höheren Spannungen auf 0,35 V verschoben.The potentiodynamic electropolymerization of tetraaminophthalocyaninato-nickel is carried out in DMF with 0.1 mol TBACIO 4 as the conducting salt. The monomer has three oxidation peaks (0.29 V; 0.72 V; 0.98 V) and two reduction peaks (0.55 V; 0.95 V). The position of the oxidation peaks shifts significantly to more positive potentials during the transition from the monomer to the oligomer. The first oxidation peak of the oligomer is 0.55 V and the second is 0.95 V. The third oxidation peak for the oligomer is outside of the voltage range. The second reduction peak does not shift (0.87 V). In contrast, the first reduction peak of the oligomer is slightly shifted to higher voltages at 0.35 V.
In der Fig. 15 ist jeder fünfte Zyklus aufgetragen. Man erkennt, daß die Oxidations- und Reduktionspeaks erst an Intensität zunehmen, dann jedoch ab dem 20. Zyklus abnehmen. Diepotentiodynamische Elektropolymerisation von Tetrakis-(2-pyrrol-1- yl-etoxy)-Phthalocyanin wird in DCM als Lösungsmittel durchgeführt. Als Leitsalz wird 0,1 mol/l TBAPF6 verwendet. Die Fig. 16 zeigt das entsprechende CV. Das zentralmetallfreie Tetrakis-(2-pyrrol-1-yl-etoxy)-Phthalocyanin zeigt zwei Oxidations peaks (0,79 V; 1,20 V) und ein Reduktionspeak (1,03 V). Die Lage des Reduktions peak verändert sich während der Polymerisation nicht. Beim Übergang vom Monomeren zum Oligomeren verschieben sich die Oxidationspeaks zu positiveren Potentialen (1,2 V; 1,38 V). Die Oxidations- bzw. Reduktionspeaks nehmen nach den ersten fünf Zyklen stark ab. Das Maximum der Stromdichte bei 1,4 V nimmt mit wachsender Schichtdicke stetig ab.In Fig. 15, every fifth cycle is plotted. It can be seen that the oxidation and reduction peaks only increase in intensity, but then decrease from the 20th cycle. The potentiodynamic electropolymerization of tetrakis (2-pyrrol-1-yl-etoxy) phthalocyanine is carried out in DCM as a solvent. 0.1 mol / l TBAPF 6 is used as the conductive salt. Fig. 16 shows the corresponding CV. The central metal-free tetrakis (2-pyrrol-1-yl-etoxy) phthalocyanine shows two oxidation peaks (0.79 V; 1.20 V) and a reduction peak (1.03 V). The position of the reduction peak does not change during the polymerization. During the transition from the monomer to the oligomer, the oxidation peaks shift to more positive potentials (1.2 V; 1.38 V). The oxidation and reduction peaks decrease sharply after the first five cycles. The maximum current density at 1.4 V steadily decreases with increasing layer thickness.
Zu der Elektropolymerisation ist festzuhalten, daß diese zu der Gruppe der elektroorganischen Synthesen gehört. Elektronenreiche Aromaten können durch elektrochemische Oxidation bzw. Reduktion zur Polymerisation gebracht werden. Die meisten leitfähigen Polymere werden anodisch (oxidativ) polymerisiert. Dieses Verfahren kann vorteilhaft ebenfalls für nicht leitfähige Polymere verwendet werden. Die kathodische Polymerisation von Phenol zu Polyphenylidenoxid ist ebenfalls möglich. Der Vorteil dieser Methode sind die resultierenden homogenen Schichten, deren Dicke über die Abscheidungszeit gut kontrolliert werden kann. Mit dieser Technik ist es ebenfalls vorteilhaft möglich, die Schichten schon während der Abscheidung zu dotieren.Regarding electropolymerization, it should be noted that this belongs to the group of belongs to electro-organic syntheses. Electron-rich aromatics can pass through electrochemical oxidation or reduction are brought to polymerization. Most conductive polymers are polymerized anodically (oxidatively). This The method can also advantageously be used for non-conductive polymers become. The cathodic polymerization of phenol to polyphenylidene oxide is also possible. The advantage of this method is the resulting homogeneous Layers whose thickness can be controlled well over the deposition time. With this technique, it is also advantageously possible to remove the layers during the Doping deposit.
Es läßt sich gegebenenfalls durch Erzeugung von Radikalen an modifizierten Elektroden mit Hilfe von Strom auch eine radikalische Polymerisation durchführen. It can optionally be modified by generating radicals Electrodes also carry out a radical polymerization using electricity.
Die Präparation erfolgt gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der Erfindung in einer 3-Elektroden-Anordnung, wie sie für die Cyclovoltammetrie verwendet wird. Alternativ wäre eine 2-Elektroden-Anordnung ebenfalls verwendbar. Die Fig. 17 zeigt eine entsprechende Anordnung gemäß der Erfindung als Prinzipskizze. Als Quasireferenzelektrode (RE) wird bei diesem Verfahren ein Silberdraht, oder ein Silberdraht mit einer Silberchloridbeschichtung verwendet. Er besitzt den Vorteil, daß er nicht in Kontakt zu wässrigen Elektrolyten stehen muß, und somit Wasserspuren als Verunreinigungen ausgeschlossen werden können. Er muß jedoch nach jeder Messung gegen Ferrocen geeicht werden. Für elektroorganische Synthesen werden 1-und 2-Kompatiment-Zellen verwendet. Die Anordnung gemäß Fig. 17 ist eine 2-Kompatiment-Zelle. Bei dieser Zelle ist die Anode (AE) von der Kathode (GE) durch eine semipermeable Trennwand (ST) abgetrennt. Für die Erfindung hat es sich als vorteilhaft erwiesen, die Elektroden in einer besonderen Art und Weise anzuordnen. Normalerweise wird die Referenzelektrode in der Nähe der Arbeitselektrode angeordnet, während die Gegenelektrode in einem weiteren Abstand angeordnet ist. Für die Erfindung ist es jedoch bevorzugt, die Gegenelek trode möglichst nahe an der Arbeitselektrode anzuordnen und die Referenzelektrode hinter der Arbeitselektrode in einem größeren Abstand anzuordnen. Die Eignung der Zelle hängt vom Monomer ab und sollte individuell auf das Monomer abgestimmt werden.According to an exemplary embodiment of the invention, the preparation is carried out in a 3-electrode arrangement, as is used for cyclic voltammetry. Alternatively, a 2-electrode arrangement could also be used. Fig. 17 shows a corresponding arrangement according to the invention as a schematic diagram. In this method, a silver wire or a silver wire with a silver chloride coating is used as the quasi-reference electrode (RE). It has the advantage that it does not have to be in contact with aqueous electrolytes, and thus traces of water can be excluded as impurities. However, it must be calibrated against ferrocene after each measurement. 1- and 2-complement cells are used for electroorganic syntheses. The arrangement of FIG. 17 is a 2-Kompatiment cell. In this cell, the anode (AE) is separated from the cathode (GE) by a semi-permeable partition (ST). It has proven to be advantageous for the invention to arrange the electrodes in a special way. Normally, the reference electrode is arranged in the vicinity of the working electrode, while the counter electrode is arranged at a further distance. For the invention, however, it is preferred to arrange the counter electrode as close as possible to the working electrode and to arrange the reference electrode behind the working electrode at a greater distance. The suitability of the cell depends on the monomer and should be tailored to the monomer.
Die in der Fig. 17 dargestellte Zelle besitzt zusätzlich zwei Öffnungen zum Spülen von Inertgasen. Um homogene Schichten zu erreichen, sollte die Gegenelektrode (GE) die gleiche Geometrie und Größe aufweisen wie die Arbeitselektrode und parallel ausgerichtet sein. Die Abscheidung kann dabei nach drei verschiedenen Verfahren erfolgen: Bei konstanter Spannung (potentiostatische Abscheidung), konstantem Strom (galvanostatische Abscheidung) oder bei zyklisch variierendem Potential (potentiodynamische Abscheidung). Die Art Abscheidung bestimmt dann die Morphologie der derart abgeschiedenen Schichten. So ist insbesondere bei der potentiodynamischen Abscheidung möglich, eine höhere Porösität der Schichten, d. h. eine erhöhte Porengröße zu erreichen. Auf diese Weise wird die Empfindlichkeit einer derartigen Schicht verbessert, da in eine porösere Schicht mehr Gasmoleküle eines zu detektierenden Gases eindiffundieren können. Die Arbeitsweise der dargestellten Zelle soll am Beispiel des Pyrrols erläutert werden. Die einzelnen Reaktionsschritte sind in den Fig. 18a bis d dargestellt. Dabei wird zunächst Pyrrol an der Anode zum Radikal oxidiert. Dieses kann dann entweder mit einem weiteren Radikal oder mit einem Pyrrolmolekül reagieren. Der erste Fall soll hier als Radikal- Radikal-Dimerisierung bezeichnet werden, während der zweite Fall hier als Radikal- Substrat-Dimerisierung bezeichnet wird, wobei der erste Reaktionsweg wahr scheinlicher ist. In beiden Fällen werden zwei Protonen abgespalten und bei der Radikal-Substrat-Kupplung wird ein Elektron abgegeben. Über die fortschreitende Reaktion erhält man Polypyrrol. Die Elektropolymerisation von Anilin und Amino substituierten Aromaten soll am Beispiel von der Elektropolymerisation von Tetraaminophthalocyaninato-Nickel gemäß der Fig. 19 dargestellt werden. Bei dem in der Fig. 19 dargestellten Mechanismus der Elektropolymerisation von Tetraa minophthalocyaninato-Nickel handelt es sich ebenfalls um eine anodische Polymerisation. Auch bei dieser Reaktion ist die Radikal-Radikal-Dimerisierung wahrscheinlicher.The cell shown in FIG. 17 additionally has two openings for purging inert gases. In order to achieve homogeneous layers, the counter electrode (GE) should have the same geometry and size as the working electrode and be aligned in parallel. The deposition can be carried out according to three different methods: with constant voltage (potentiostatic deposition), constant current (galvanostatic deposition) or with cyclically varying potential (potentiodynamic deposition). The type of deposition then determines the morphology of the layers deposited in this way. It is thus possible, in particular in the case of potentiodynamic deposition, to achieve a higher porosity of the layers, ie an increased pore size. The sensitivity of such a layer is improved in this way, since more gas molecules of a gas to be detected can diffuse into a more porous layer. The mode of operation of the cell shown will be explained using the example of pyrrole. The individual reaction steps are shown in FIGS. 18a to d. First, pyrrole is oxidized to the radical at the anode. This can then react either with another radical or with a pyrrole molecule. The first case is referred to here as radical-radical dimerization, while the second case is referred to here as radical-substrate dimerization, the first reaction path being more probable. In both cases, two protons are split off and one electron is released during the radical-substrate coupling. The progressive reaction gives polypyrrole. The electropolymerization of aniline and amino-substituted aromatics is to be illustrated using the example of the electropolymerization of tetraaminophthalocyaninato-nickel according to FIG. 19. The mechanism of electropolymerization of tetraamine minophthalocyaninato-nickel shown in FIG. 19 is also an anodic polymerization. Radical-radical dimerization is also more likely in this reaction.
Im folgenden sollen die potentiodynamische und die potentiostatische Abscheidung miteinander verglichen werden.The following are the potentiodynamic and potentiostatic deposition be compared with each other.
Zunächst sollen die aufgenommenen Ladungsmengen während der statischen und dynamischen Polymerisation von P2 miteinander verglichen werden. Für die Berechnung der Ladungsmenge der potentiostatisch abgeschiedenen Polymere, wird die Polymerisation nach verschiednene Reaktionszeiten abgebrochen und die während der Reaktion gemessenen Ströme gegen die Zeit integriert. Um die Ladungsmengen während der potentiodynamischen Polymerisation zu bestimmen, wird ein CV, das über 2 h aufgenommen wurde, in die einzelnen Cyclen zerlegt. Anschließend werden die Spannungen mit der Vorschubgeschwindigkeit in Zeiten umgerechnet. Die daraus resultierenden Graphen (Strom gegen Zeit) werden integriert zur Berechnung der pro Cyclus ausgenommenen und abgegebenen Ladung. Die erhaltenen Beträge werden subtrahiert, um die im Polymer verbliebenen Ladungen zu erhalten. Zum Vergleich der Ergebnisse der potentiostatischen und der potentiodynamischen Elektropolymerisation werden die Gesamtmengen der Ladungen pro Cyclus durch Addition der jeweils vorhergehenden Cyclen bestimmt und gegen die Zeit bis zum jeweiligen Cyclus aufgetragen.First, the amounts of charge absorbed during the static and dynamic polymerization of P2 can be compared. For the Calculation of the amount of charge of the potentiostatically deposited polymers the polymerization was terminated after various reaction times and the currents measured during the reaction are integrated against time. To the To determine amounts of charge during the potentiodynamic polymerization, a CV that was recorded over 2 h is broken down into the individual cycles. Then the tensions with the feed rate in times converted. The resulting graphs (current versus time) will be integrated for the calculation of the exempt and dispensed per cycle Charge. The amounts obtained are subtracted by the amount remaining in the polymer To get charges. To compare the results of the potentiostatic and the Potentiodynamic electropolymerization is the total amount of Charges per cycle determined by adding the previous cycles and plotted against time until the respective cycle.
Die Ergebnisse der Berechnung sind in der Fig. 20 dargestellt. Bei gleicher Polymerisationszeit nehmen die potentiodynamisch hergestellten Schichten des Tetrakis-(2-pyrrol-1-yl-phthalocyanin) 1/3 mehr Ladungsträger auf als die potentiostatisch hergestellten Schichten. Die von dem Polymer aufgenommene Ladung sättigt mitfortschreitender Reaktionszeit bei beiden Präparationsmethoden. Die nachfolgende Tabelle soll einen Vergleich der potentiostatischen und der potentiodynamischen Elektropolymerisation ermöglichen.The results of the calculation are shown in FIG. 20. With the same polymerization time, the layers of tetrakis (2-pyrrol-1-yl-phthalocyanine) produced by potentiodynamics take up 1/3 more charge carriers than the layers produced by potentiostats. The charge absorbed by the polymer saturates as the reaction time progresses in both preparation methods. The following table should allow a comparison of the potentiostatic and the potentiodynamic electropolymerization.
Bei den Polymeren, die über 1 µm Schichtdicke erreichen, ist die aufgenommene Ladung bei der potentiodynamischen Abscheidung deutlich größer als bei der potentiostatischen. Die erreichten Schichtdicken sind bei den polymeren Phthalo cyaninen mit Nickel als Zentralmetall bei der potentiodynamischen Elektropolymeri sation dicker. Bei den anderen zentralmetallhaltigen Polymerfilmen sind die erreichten Schichtdicken nach beiden Präparationsmethoden ähnlich. Für die Eilme der zentralmetallfreien Polymere erreichen die potentiostatisch abgeschiedenen Filme größere Schichtdicken. Für die Erfindung sind Schichtdicken zwischen 1 µm und 5 µm vorteilhaft.In the case of the polymers which reach a layer thickness of more than 1 µm, the absorbed is Charge in the potentiodynamic deposition is significantly larger than in the potentiostatic. The layer thicknesses achieved are in the polymeric phthaloy cyanines with nickel as the central metal in potentiodynamic electropolymeri station thicker. For the other polymer films containing central metal, these are achieved layer thicknesses similarly by both preparation methods. For the rushes of the central metal-free polymers reach the potentiostatically deposited Films with thicker layers. For the invention, layer thicknesses are between 1 µm and 5 µm advantageous.
Die Monomeren, die nur geringe Schichtdicken erreichen, haben einen geringen
Ladungsverbrauch. Jedoch ist der Ladungsverbrauch pro Schichtdicke für die
einzelnen Monomere unterschiedlich. Die maximal erreichte Schichtdicke hängt
deutlich von der Struktur des Monomeren ab. Bei den Pyrrol-substituierten
Phthalocyaninen wachsen die zentralmetallfreien Monomere deutlich zu höheren
Schichtdicken auf. Die Verlängerung des Alkylspacers zwischen dem Phthalocyanin
und dem Pyrrolsubstituenten führt zu größeren Schichtdicken nach der Elek
tropolymerisation. Der Einbau des Zentralmetalls bei diesen Verbindungen führt zu
geringeren Schichtdicken bei gleicher Polymerisationszeit. Folgende Punkte sind die
Hauptgründe für die unterschiedlichen erreichten Schichtdicken:
The monomers, which only have a small layer thickness, have a low charge consumption. However, the charge consumption per layer thickness is different for the individual monomers. The maximum layer thickness depends clearly on the structure of the monomer. In the pyrrole-substituted phthalocyanines, the central metal-free monomers grow significantly to higher layer thicknesses. The extension of the alkyl spacer between the phthalocyanine and the pyrrole substituent leads to greater layer thicknesses after the electropolymerization. The incorporation of the central metal in these compounds leads to lower layer thicknesses with the same polymerization time. The following are the main reasons for the different layer thicknesses achieved:
- - Löslichkeit- solubility
- - Reaktivität- reactivity
- - Leitfähigkeit des resultierenden Polymers- Conductivity of the resulting polymer
- - Elektrodenkinetiken.- electrode kinetics.
Die zentralmetallhaltigen Pyrrol-substituierten Phthalocyanine besitzen eine geringere Löslichkeit als die zentralmetallfreien (~10-4 : ~5.10-4). Damit läßt sich erklären, warum die zentralmetallhaltigen Monomere geringere Schichtdicken erreichen. Nicht erklären läßt sich damit wiederum, warum das Cobalt-haltige Phthalocyanin größere Schichtdicken erreicht als das Zing-bzw. Nickel-haltige. Dies liegt daran, daß das redoxaktive Zentralmetall die Polymerisation aktiviert. Das Polymerisationsverhalten der Pyrrol-substituierten Phthalocyanine unterscheidet sich von denen der tetraaminosubstituierten Phthalocyanine. Bei den Pyrrol-sub stituierten Phthalocyaninen erreicht das Cobalt-haltige die größten Schichtdicken, gefolgt vom Nickel-haltigen. Das Zink-haltige Monomer wächst am schlechtesten auf. Bei den Tetraaminosubstituierten Phthalocyaninen wächst das Nickel-haltige Phthalocyanin zu den größten Schichtdicken auf, das Zink-haltige erreicht die zweitdicksten Schichtdicken und das Cobalt-haltige zeigt die geringste Reaktivität. Nickel-haltige Phthalocyanine zeigen höhere spez. Leitfähigkeiten als andere Phthalocyanine. Von daher ist ein Aufwachsen zu hohen Schichtdicken zu erklären. Ursache für das abweichende Reaktionsverhalten ist die Elektronendichte der Radikalkationen. Die Tetraaminosubstituierten Phthalocyanine besitzen aufgrund der mesomer schiebenden Aminogruppen eine höhere Elektronendichte im Aromaten als die Pyrrol-substituierten Phthalocyanine. The central metal-containing pyrrole-substituted phthalocyanines have a lower solubility than the central metal-free (~ 10 -4 : ~ 5.10 -4 ). This explains why the central metal-containing monomers achieve lower layer thicknesses. Again, it cannot be explained why the cobalt-containing phthalocyanine achieves greater layer thicknesses than the Zing or. Nickel-containing. This is because the redox-active central metal activates the polymerization. The polymerization behavior of the pyrrole-substituted phthalocyanines differs from that of the tetraamino-substituted phthalocyanines. In the pyrrole-substituted phthalocyanines, the cobalt-containing layer achieves the greatest layer thicknesses, followed by the nickel-containing layer. The zinc-containing monomer grows the worst. In the case of the tetraamino-substituted phthalocyanines, the nickel-containing phthalocyanine grows to the greatest layer thicknesses, the zinc-containing one reaches the second thickest layer thicknesses, and the cobalt-containing layer shows the lowest reactivity. Nickel-containing phthalocyanines show higher spec. Conductivities than other phthalocyanines. For this reason, growing up to high layer thicknesses can be explained. The reason for the different reaction behavior is the electron density of the radical cations. The tetraamino-substituted phthalocyanines have a higher electron density in the aromatic system than the pyrrole-substituted phthalocyanines due to the mesomer-shifting amino groups.
Das Monomer mit dem C3-Spacer zwischen derr Pyrrolgruppe und dem Phthalocya nin wächst zu größeren Schichtdicke auf als das Monomer mit dem C2-Spacer. Da die Löslichkeiten vergleichbar sind, wird dieser Grund für ein unterschiedliches Aufwachsverhalten ausgeschlossen. Die geringe sterische Hinderung der Pyrrolgruppe beim Monomer mit dem C3-Spacer erhöht die Reaktivität der Polymerisation. Die Leitfähigkeit der resultierenden Polymere ist vergleichbar.The monomer with the C 3 spacer between the pyrrole group and the phthalocyanine grows to a greater layer thickness than the monomer with the C 2 spacer. Since the solubilities are comparable, this reason for different growth behavior is excluded. The slight steric hindrance of the pyrrole group in the monomer with the C 3 spacer increases the reactivity of the polymerization. The conductivity of the resulting polymers is comparable.
Das Polymer des Amino-substituierte Phthalocyanin besitzt eine deutlich höhere Leitfähigkeit als die Pyrrol-substituierten Phthalocyanine.The polymer of amino-substituted phthalocyanine has a significantly higher one Conductivity than the pyrrole-substituted phthalocyanines.
Die Elektrodenkinetiken sind für die hier beschriebenen Monomeren ähnlich, da die Größe der Moleküle und ihre Polarität nicht stark variieren. Man kann also annehmen, daß die Diffusionskonstanten und die Wechselwirkungen mit der Elektrode ähnlich sind.The electrode kinetics are similar for the monomers described here because the The size of the molecules and their polarity do not vary widely. So you can assume that the diffusion constants and the interactions with the Electrode are similar.
An den dargestellten Perylenen wird die Elektropolymerisation durchgeführt. Das Hydroxyphenoxysubstituierte Perylen 16 läßt sich bei negativen Potentialen mit CaCl2 als Leitsalz aus DMF auf ITO abscheiden. Eine Elektropolymerisation in Gegenwart von TBAPF6 als Leitsalz ist nicht möglich. Auffallend ist das Redoxpaar bei -0,56 V. Da es bei den elektropolymerisierbaren Phthalocyaninen nicht auftritt, läßt es sich dem Perylen-Grundgerüst zuordnen. Das Maximum verschiebt sich zu weniger negativen Potentialen. Das wachsende Polymer läßt sich schwerer reduzieren, als das Monomer. In der Fig. 21 ist jeder fünfte Cyclus der Elek tropolymerisation aufgetragen.The electropolymerization is carried out on the perylenes shown. The hydroxyphenoxy-substituted perylene 16 can be deposited at negative potentials with CaCl 2 as the conductive salt from DMF on ITO. Electropolymerization in the presence of TBAPF 6 as the conductive salt is not possible. The redox couple is striking at -0.56 V. Since it does not occur with the electropolymerizable phthalocyanines, it can be assigned to the perylene backbone. The maximum shifts to less negative potentials. The growing polymer is more difficult to reduce than the monomer. In Fig. 21, every fifth cycle of electropolymerization is plotted.
Das tetrachlorierte Hydroxyphenoxy-substituierten Perylen 17 läßt sich bei gleichen Bedingungen nur in sehr geringen Schichtdicken abscheiden. Das Redoxpaar des Perylengrundgerüstes liegt bei 0,3 V und ist nur während der ersten Cyclen zu erkennen. Gezeigt wird in der Fig. 22 ebenfalls jeder fünfte Cyclus der potentiody namischen Abscheidung. Die Stromdichten nehmen nach wenigen Cyclen rapide ab. The tetrachlorinated hydroxyphenoxy-substituted perylene 17 can only be deposited in very thin layers under the same conditions. The redox pair of the perylene backbone is 0.3 V and can only be seen during the first cycles. Also, every fifth cycle of potentiody namic deposition is shown in Fig. 22. The current densities decrease rapidly after a few cycles.
Die Aminophenoxy-substituierten Perylene I1-I5 lassen sich in DMF weder mit CaCl2 noch mit TBAPF6 als Leitsalz auf ITO abscheiden. Auf Platinelektroden hingegen setzt die Polymerisation bei den Perylenen mit Di-amino-phenylether als Substituenten (I1, I2) mit TBAPF6 als Leitsalz ein. Die Filme wachsen jedoch nur zu geringen Schichtdicken auf. Fig. 23 zeigt jeden fünften Cyclus der potentiodynami schen Elektropolymerisation von I1.The aminophenoxy-substituted perylenes I1-I5 cannot be deposited on ITO in DMF using either CaCl 2 or TBAPF 6 as the conductive salt. On the other hand, on platinum electrodes, the polymerization of perylenes with di-aminophenyl ether as substituents (I1, I2) with TBAPF 6 as the conductive salt begins. However, the films only grow to small layer thicknesses. Fig. 23 shows every fifth cycle of potentiodynamic electropolymerization of I1.
Auch hier zeigt sich die Einführung der Chloratome für die Elektropolymerisation ungünstig. Wie man aus der Fig. 24 entnehmen kann, sind die Stromdichten bei der potentiodynamischen Abscheidung von dem chlorierten PTCDI I2 deutlich geringer, als die der nicht chlorierten Derivates I1. Die Abnahme der Stromdichten mit der Cyclenzahl ist bei dem chlorierten PTCDI-Derivat (I2) deutlich größer.The introduction of chlorine atoms for electropolymerization is also unfavorable here. As can be seen from FIG. 24, the current densities during the potentiodynamic deposition from the chlorinated PTCDI I2 are significantly lower than those of the non-chlorinated derivatives I1. The decrease in the current densities with the cycle number is significantly greater with the chlorinated PTCDI derivative (I2).
Generell zeigen die PTCDA, die mit Di-amino-diphenylether umgesetzt werden (I1, I2) die höchste Reaktivität unter den Aminosubstituierten Perylenen 11-15. Die sterische Hinderung kann somit während der Elektropolymerisation durch eine längeren Spacer verringert werden. Die Erhöhung der Elektronendichte im angreifenden Aromaten durch den Sauerstoff als Heteroatom begünstigt die Polymerisation zusätzlich. Die Substitution der PTCDA mit Methylen-para diaminodiphenyl (I3) führt zu keiner Erhöhung der Reaktivität. Die sterische Hinderung während der Elektropolymerisation wird auch in diesem Fall her abgesetzt, jedoch die Elektronendichte im reagierenden Aromaten nicht erhöht. Ein Unterschied in der Reaktivität zwischen den Meta- und Para-Di-aminophenylsub stituierten PTCDA's (I4 und I5) ist nicht vorhanden.In general, the PTCDA, which are reacted with di-amino-diphenyl ether (I1, I2) the highest reactivity among the amino substituted perylenes 11-15. The steric hindrance can thus be caused by a longer spacers can be reduced. The increase in electron density in the attacking aromatics favored by the oxygen as a heteroatom Polymerization in addition. Substitution of the PTCDA with methylene para diaminodiphenyl (I3) does not increase the reactivity. The steric Obstacle during electropolymerization is also in this case discontinued, but the electron density in the reacting aromatic did not increase. On Difference in reactivity between the meta- and para-di-aminophenyl sub PTCDA's (I4 and I5) are not available.
Die Polymerisationsparameter sollten für das p-Di-amino-substituierte PTCDA (I4) optimiert werden. Durch den Zusatz von Perchlorsäure als Katalysator kann die Reaktivität der Elektropolymerisation erhöht werden. Eine potentiodynamische Abscheidung von I4 auf ITO gelingt. Fig. 25 zeigt jeden fünften Cyclus der Elektropolymerisation von I4 in DMF mit TBAPF6 als Leitsalz mit zwei Tropfen Perchlorsäure als Katalysator. Die Reaktion setzt bei positiveren Potentialen ein im Vergleich zum NiPc[NH2]4A1 ein (1,4 V bei 14 und 1.1 V bei NiPC[NH2]4A1), wobei sich die Maxima der Oxidation und der Reduktion für das PTCDI I4 zu geringeren positiven Potentialen verschiebt. Ein Grund für die Potentialverschiebung ist die Protonierung des I4.The polymerization parameters should be optimized for the p-di-amino-substituted PTCDA (I4). The reactivity of the electropolymerization can be increased by adding perchloric acid as a catalyst. Potentiodynamic separation from I4 to ITO succeeds. Fig. 25 shows each fifth cycle of the electropolymerization of I4 in DMF with TBAPF 6 as conducting salt with two drops of perchloric acid as a catalyst. The reaction starts at more positive potentials compared to NiPc [NH 2 ] 4 A1 (1.4 V at 14 and 1.1 V at NiPC [NH 2 ] 4 A1), with the maxima of the oxidation and reduction for the PTCDI I4 shifts to lower positive potentials. One reason for the potential shift is the protonation of the I4.
Da die Elektropolymerisation durch Säuren katalysiert wird, empfiehlt sich generelle der Einsatz von sauren Elektrolyten während der Reaktion. Die Verwendung von wasserfreien Säuren, wie HBF4-Etherat Komplexen führt ebenfalls zu einer weiteren Steigerung der Reaktivität.Since the electropolymerization is catalyzed by acids, the use of acidic electrolytes is generally recommended during the reaction. The use of anhydrous acids such as HBF 4 etherate complexes also leads to a further increase in reactivity.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Bauelementes enthält ein bevorzugt elektrisch leitendes Substrat, welches weiter bevorzugt in der Form von Interdigitalelektroden mikrostrukturiert sein kann. Auf diesem Substrat ist die das Polymer enthaltende Schicht bevorzugt aufpolymerisiert. Die Digitalelek troden sind dabei bevorzugt als Finger ausgebildet, die auch einander gegenüber liegend kammartig ineinander verschachtelt sein können. Dabei ist es bevorzugt, wenn der Abstand der Digitalelektroden eines Kammes zwischen 1 µm und 2 µm liegt. Ein kleiner Abstand der Digitalelektroden untereinander ist vorteilhaft, da dann die anschließend aufgebrachte Polymerschicht auf jeden Fall als geschlossene Schicht aufgebracht werden kann.Another preferred embodiment of the component according to the invention contains a preferably electrically conductive substrate, which is further preferred in the Form of interdigital electrodes can be microstructured. Is on this substrate the layer containing the polymer is preferably polymerized. The digital electronics Trodes are preferably designed as fingers, which also face each other can be nested in a comb-like manner. It is preferred if the distance between the digital electrodes of a comb is between 1 µm and 2 µm lies. A small distance between the digital electrodes is advantageous because then the subsequently applied polymer layer is definitely closed Layer can be applied.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung können die Elektroden des erfindungsgemäßen Bauelementes durch Aufgalvanisieren eines weiteren anderen Metalls verändert werden. Dabei kann beispielsweise nur ein Teil der Elektroden des erfindungsgemäßen Bauelementes durch Aufgalvanisieren eines weiteren Metalls verändert werden, so daß zwei oder mehr unterschiedlich in mikrostrukturierter Weise auf dem erfindungsgemäßen Bauelement zur Verfügung gestellt werden. Auf diesen unterschiedlichen Elektroden kann anschließend die Polymerschicht aufpolymerisiert werden. Dabei kann ebenfalls eine heterogene Polymerschicht, wie sie weiter unten noch beschrieben ist, verwendet werden, um die Eigenschaften des erfindungsgemäßen Bauelementes auf beispielsweise ein zu detektierendes Gas abzustimmen.In a further embodiment of the invention, the electrodes of the Component according to the invention by electroplating another one Metal are changed. For example, only a part of the electrodes of the Component according to the invention by electroplating a further metal be changed so that two or more are different available in a microstructured manner on the component according to the invention be put. The can then on these different electrodes Polymer layer are polymerized. This can also be a heterogeneous one Polymer layer, as described below, can be used to the properties of the component according to the invention for example tune the detecting gas.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das Bauelement ein Sensor zur Messung des mindestens Vorhandenseins, bevorzugt der Konzen tration, von Stoffen in Gasen und/oder Flüssigkeiten und/oder Feststoffen, bevorzugt von Gasen in Luft, wobei die Schicht zur Messung des Vorhandenseins, bevorzugt der Konzentration, sensorisch aktiv ist. Die erfindungsgemäß ausgebilde te Schicht bildet somit den zentralen Abschnitt eines Sensors. Derartige Sensoren können auch als Array, d. h. in Reihe geschaltet, zur quantitativen und qualitativen Detektion von Gasen und/oder Flüssigkeiten verwendet werden. Diese Sensoren können beispielsweise für unspezifische Messungen in der Luftgüteüberwachung in einem Kraftfahrzeug, bei der sensorgesteuerten Ablüftung von geschlossenen Räumen, beispielsweise eines Badezimmers, und bei Lebensmittelgüteuntersuchun gen, beispielsweise in Obst-/Fleischabteilungen und Lagerhäusern eingesetzt werden. Mit dem erfindungsgemäßen Polymersensor lassen sich dabei vorteilhaft gleichzeitig mehrere verschiedene base, die durch den Reifeprozeß der Lebensmittel entstehen, erfassen. Dabei ist es beispielsweise möglich, verschiedene Polymere in einer einzigen Polymerschicht zu integrieren, so daß die Eigenschaften des entsprechenden Sensors gezielt auf die zu detektierenden bzw. zu überwachenden Lebensmittel abgestimmt werden können. Aber auch bei nur einem Polymer lassen sich verschiedene Gase erfassen, da das Polymer mit unterschiedlichen Gasen auch unterschiedlich reagiert. Diese unterschiedlichen Reaktionen können dann anschließend in einer Rechnereinheit mit bestimmten Eichwerten der entsprechen den Gase verglichen werden, so daß diese Gase dann entsprechend durch Zuordnung der erfaßten Werte zu den Eichwerten bestimmt werden können.In a further preferred embodiment of the invention, the component is a sensor for measuring the at least presence, preferably the concentration tration of substances in gases and / or liquids and / or solids, preferably of gases in air, the layer for measuring the presence, preferably the concentration that is sensorially active. The trained according to the invention The th layer thus forms the central section of a sensor. Such sensors can also be used as an array, i.e. H. connected in series, for quantitative and qualitative Detection of gases and / or liquids can be used. These sensors can be used, for example, for non-specific measurements in air quality monitoring in a motor vehicle, in the sensor-controlled ventilation of closed Rooms, for example in a bathroom, and in food quality inspections gene, used for example in fruit / meat departments and warehouses become. The polymer sensor according to the invention can be used advantageously several different bases at the same time, which are caused by the ripening process of the food arise, grasp. It is possible, for example, to use different polymers to integrate in a single polymer layer, so that the properties of the appropriate sensors targeted to those to be detected or monitored Food can be matched. But also leave with only one polymer different gases capture because the polymer with different gases too reacted differently. These different reactions can then then in a computer unit with certain calibration values the gases are compared, so that these gases then by Assignment of the recorded values to the calibration values can be determined.
In weiteren bevorzugten Ausführungsformen kann die erfindungsgemäß eine Kombination aus einem Polymer und einem molekularen organischen Halbleiter enthaltene Schicht auch eine Antistatikfolie, ein organischer Feldeffekttransistor (OFET), eine organische Lichtemissionsdiode (OLED), eine photovoltaische Zelle, eine Schottkyzelle und/oder eine Batterie sein. Im folgenden seien einige dieser Anwendungsgebiete beispielhaft erläutert.In further preferred embodiments, the one according to the invention can Combination of a polymer and a molecular organic semiconductor layer also contains an antistatic film, an organic field effect transistor (OFET), an organic light emitting diode (OLED), a photovoltaic cell, a Schottky cell and / or a battery. The following are some of these Areas of application explained.
Das größte industrielle Anwendungsgebiet von leitfähigen Polymeren ist die elektromagnetische Abschirmung von elektronischen Komponenten. Antistatikfolien werden hauptsächlich aus Poly-3,4-ethylendioxythiophen (PEDOT) hergestellt.The largest industrial application of conductive polymers is that electromagnetic shielding of electronic components. Antistatic foils are mainly made from poly-3,4-ethylenedioxythiophene (PEDOT).
Die andere bereits produktionsreife Anwendung sind OLED's. Die Fig. 26 zeigt den schematischen Aufbau.The other application that is already ready for production is OLEDs. Fig. 26 shows the schematic structure.
Als Kathode wird ein reaktives Metall eingesetzt, wie Calcium oder Magnesium. Typische organische Schichten als Leucht- bzw. -Emittierschicht sind PPV oder Alq3. PEDOT dient bei den OLED's zum einen zur Glättung des Substrates, und zum anderen als Lochleiterschicht. Typisches Anodenmaterial ist Indium-Zinn-Oxid (ITO). Es besitzt eine hohe Leitfähigkeit und ist transparent. Es können jedoch auch leitfähige Polymere eingesetzt werden, so daß flexible OLED's entstehen. Das Funktionsprinzip ist identisch zu den anorganischen LED's. durch die Anode werden Löcher injiziert, und durch die Kathode Elektronen. Beide wandern durch das angelegte Feld in die Leuchtschicht, wo sie unter Abgabe elektromagnetischer Strahlung rekombinieren.A reactive metal such as calcium or magnesium is used as the cathode. Typical organic layers as luminescent or emitting layers are PPV or Alq 3 . With OLEDs, PEDOT is used on the one hand to smooth the substrate and on the other hand as a hole conductor layer. A typical anode material is indium tin oxide (ITO). It has a high conductivity and is transparent. However, conductive polymers can also be used, so that flexible OLEDs are formed. The principle of operation is identical to the inorganic LEDs. holes are injected through the anode and electrons through the cathode. Both migrate through the applied field into the luminescent layer, where they recombine with the emission of electromagnetic radiation.
OLED's sind die physikalische Umkehrung der photovoltaischen Zelle, in der durch Einstrahlung elektromagnetischer Strahlung Strom erzeugt wird. Für organische photovoltaischen Zellen werden ein organischer n-Halbleiter (z. B. Me-PTCDI) und ein organischer p-Halbleiter (z. B. ZnPc) miteinander kombiniert. Es ist auch möglich, Schottky-Zellen aus einem organischen Halbleiter und einem leitfähigen Polymer als Metallersatz herzustellen. Die Fig. 27 zeigt typische Strukturen einer organischen photovoltaischen Zelle und einer Schottky-Zelle.OLEDs are the physical reversal of the photovoltaic cell in which electricity is generated by the radiation of electromagnetic radiation. For organic photovoltaic cells, an organic n-semiconductor (e.g. Me-PTCDI) and an organic p-semiconductor (e.g. ZnPc) are combined. It is also possible to manufacture Schottky cells from an organic semiconductor and a conductive polymer as a metal substitute. Fig. 27 shows typical structures of an organic photovoltaic cell and a Schottky cell.
Während organische Leuchtdioden sowohl von den Lebensdauern als auch von der Lichtintensität mit anorganischen LEDs konkurrieren können, erreichen organische Photovoltazellen bislang nicht die Wirkungsgrade anorganischer Zellen. Die Wirkungsgrade liegen bei 1% (MePTCDI/ZnPc) im Vergleich zu 35,8% (GaAs/ GaSb). Das Funktionsprinzip einer photovoltaischen Zelle zeigt die Fig. 28.While organic light-emitting diodes can compete with inorganic LEDs in terms of both lifetime and light intensity, organic photovoltaic cells have so far not achieved the efficiency of inorganic cells. The efficiencies are 1% (MePTCDI / ZnPc) compared to 35.8% (GaAs / GaSb). The functional principle of a photovoltaic cell is shown in FIG. 28.
In der Raumladungszone, die durch den Kontakt eines n- und eines p-Halbleiters entsteht, werden Elektronen durch elektromagnetische Strahlung von besetzten in unbesetzte Zustände angeregt. Das entstandene Excitonenpaar wird durch das elektrische Feld getrennt. Eine weitere Anwendungsmöglichkeit von organischen Halbleitern und leitfähigen Polymeren ist der Aufbau von OFET. Ihre Wirkungsweise ist mit den anorganischen Feldeffekttransistoren identisch. Die Ströme zwischen Emitter und Kollektor können durch die an der Basis angelegte Spannung kontrolliert werden. Ihr Anwendungsgebiet ist nicht wie bei anorganischen Transistoren beschränkt auf die Verstärkung von Strömen, sondern erstreckt sich ebenfalls in die chemische Sensorik. Die halbleitenden Eigenschaften von organischen Materialien verändern sich durch Wechselwirkungen mit oxidierenden bzw. reduzierenden Stoffen. Es kommt zu einem Elektronentransfer, wodurch sich die Lage des Fermi- Niveaus verschiebt. Die Ströme zwischen Emitter und Kollektor ändern sich bei gleichbleibender Spannung an der Basis. Dadurch können diese Stoffe (z. B. NH3- Gas) detektiert werden. Die Fig. 29 zeigt den schematischen Aufbau eines organischen Feldeffekttransistors.In the space charge zone, which results from the contact of an n- and a p-semiconductor, electrons are excited by electromagnetic radiation from occupied to unoccupied states. The resulting pair of excitons is separated by the electric field. Another application of organic semiconductors and conductive polymers is the construction of OFET. Their mode of operation is identical to that of the inorganic field effect transistors. The currents between emitter and collector can be controlled by the voltage applied to the base. Their area of application is not limited to the amplification of currents, as is the case with inorganic transistors, but also extends to chemical sensors. The semiconducting properties of organic materials change through interactions with oxidizing or reducing substances. Electron transfer occurs, which shifts the position of the Fermi level. The currents between emitter and collector change with constant voltage at the base. This means that these substances (e.g. NH 3 gas) can be detected. Fig. 29 shows the schematic structure of an organic field effect transistor.
Denkbar ist auch eine Kombination eines OFET mit einer OLED. Die Kollektorströme eines OFET, die in Gegenwart eines zu detektierenden Stoffes ansteigen werden an eine OLED geleitet. Durch die anliegenden Ströme kombinieren in der Leuchtschicht Ladungsträgerpaare und elektromagnetische Strahlung wird emittiert. Dadurch können zu detektierende Gase direkt in ein Leuchtsignal umgesetzt werden.A combination of an OFET with an OLED is also conceivable. The collector currents of an OFET, which will increase in the presence of a substance to be detected led an OLED. Combine the currents in the light layer Charge carrier pairs and electromagnetic radiation are emitted. Thereby gases to be detected can be converted directly into a light signal.
Des weiteren können leitfähige Polymere in Batterien eingesetzt werden. Sie sind leichter als Metalle und bieten dadurch Vorteile. Diese Batterien lassen sich beispielsweise aus zwei unterschiedlich dotierten Polyacetylenschichten aufbauen. Eine Schicht ist mit Li-Ionen dotiert und die andere mit Iod. Als Elektrolyt kann ein mit Polypropylencarbonat und LiCIO4 getränktes Filterpapier verwendet werden. Der Aufbau einer solchen Batterie ist in Fig. 30 dargestellt.Furthermore, conductive polymers can be used in batteries. They are lighter than metals and therefore offer advantages. These batteries can be constructed from two differently doped polyacetylene layers, for example. One layer is doped with Li ions and the other with iodine. Filter paper impregnated with polypropylene carbonate and LiCIO 4 can be used as the electrolyte. The structure of such a battery is shown in FIG. 30.
Durch das erfindungsgemäße Einbringen von Pigmentstoffen in die erfindungs gemäße Batterie wird der Vorteil erreicht, daß die Leitfähigkeit einer derartigen Polymerbatterie über einen langen Zeitraum erhalten bleibt. Darüber hinaus sind die erfindungsgemäßen Polymerbatterien auch unempfindlicher gegen kleine Löcher in den zum Aufbau der Batterie verwendeten Schichten. Bei einer weiteren Aus führungsform der erfindungsgemäßen Batterien sind diese aufgrund der ver wendeten Pigmentstoffe farbig ausgebildet. Dabei können die Pigmentstoffe derart gewählt werden, daß sich die Farbe ändert, bevorzugt im Verlaufe des Entladungs vorganges der Batterie. Für den Benutzer einer derartigen Batterie ist es daher - ohne das eine zusätzliche Batteriestandsanzeige verwendet werden muß - durch die Farbe der Batterie selbst erkennbar, ob die Batterie voll oder eher leer ist. Auch dabei läßt sich durch die erfindungsgemäße Kombination von Pigmentstoffen und Polymer die gegenüber dem Stand der Technik erhöhte mechanische Stabilität der erfindungsgemäßen Batterien verwirklichen.By introducing pigment substances into the invention according battery has the advantage that the conductivity of such Polymer battery is preserved over a long period of time. In addition, the Polymer batteries according to the invention also less sensitive to small holes in the layers used to build the battery. With another out leadership form of the batteries according to the invention are due to the ver used pigments colored. The pigment substances can be such can be chosen that the color changes, preferably in the course of the discharge operation of the battery. For the user of such a battery it is therefore - without having to use an additional battery level indicator - through the Color of the battery itself recognizable whether the battery is full or rather empty. Also can be by the combination of pigments and Polymer the increased mechanical stability of the prior art Realize batteries according to the invention.
Eine weitere Anwendung sind elektrochemische Muskeln. Die erfindungsgemäßen Polymere schwellen bei Dotierung an. Diese Ausdehnung kann in Aktuatoren eingesetzt werden.Another application is electrochemical muscles. The invention Polymers swell when doped. This expansion can occur in actuators be used.
Fig. 31 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines organischen Feldeffekt transistors (OFET) 10. Der OFET 10 weist ein Metallsubstrat 5 auf. Auf dem Metallsubstrat ist ein Isolator 4 angeordnet. Auf dem Isolator 4 befindet sich die erfindungsgemäße Polymerschicht 3. In der Polymerschicht 3 sind als Drain 1 und Source 2 zwei leitende Schichten eingebettet. Das Substrat 5 dient als Gate des Transistors 10. Fig. 31 shows a preferred embodiment of an organic field effect transistor (OFET) from 10. The OFET 10 has a metal substrate 5 . An insulator 4 is arranged on the metal substrate. The polymer layer 3 according to the invention is located on the insulator 4 . Two conductive layers are embedded in the polymer layer 3 as drain 1 and source 2 . The substrate 5 serves as the gate of the transistor 10 .
Fig. 35 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Bei diesem Beispiel sind Drain 1 und Source 2 aus unterschiedlichen Metallen gebildet. Auch ist die Polymerschicht 3 in zwei Bereiche 3a und 3b unterteilt, die unterschiedliche Polymere aufweisen. Somit ist zwischen 3a und 3b eine Diode vorhanden. Diese unterschiedlichen Bereiche 3a und 3b werden hergestellt, indem man zunächst ein bestimmtes Polymer auf die Leiter 1 und 2 aufpolymerisiert, und anschließend nur noch auf einem der Bereiche 3a oder 3b mit einem anderen Monomer - bspw. durch Wechsel des Herstellungsbades für die Polymerisation - weiterpolymerisiert. Der Wechsel zwischen verschiedenen Polymeren läßt sich beliebig oft wiederholen, so daß die gewünschten Eigenschaften der Schicht genau entsprechend den Anforderungen eingestellt werden können. Bei einer weiteren Ausführungsform sind auf den Leitern 1 und 2, die beispielsweise in Form der weiter oben erwähnten Interdigitalelektroden ausgebildet sein können, verschiedene Polymere auf polymerisiert. Es ist bei dieser Ausführungsform somit eine Messung zwischen den unterschiedlichen Polymeren möglich. Auch hierdurch läßt sich der entsprechende Sensor auf eine bestimmte Empfindlichkeit für ein bestimmtes Gas einstellen. Fig. 35 shows a further embodiment of the invention. In this example, drain 1 and source 2 are made of different metals. The polymer layer 3 is also divided into two regions 3 a and 3 b, which have different polymers. A diode is thus present between 3 a and 3 b. These different areas 3 a and 3 b are produced by first polymerizing a certain polymer onto the conductors 1 and 2 , and then only on one of the areas 3 a or 3 b with another monomer - for example by changing the manufacturing bath for the polymerization - further polymerization. The change between different polymers can be repeated any number of times, so that the desired properties of the layer can be set exactly according to the requirements. In a further embodiment, different polymers are polymerized onto the conductors 1 and 2 , which can be designed, for example, in the form of the interdigital electrodes mentioned above. A measurement between the different polymers is thus possible in this embodiment. This also allows the corresponding sensor to be set to a specific sensitivity for a specific gas.
Bei den beiden vorgenannten Ausführungsformen können nicht nur die in dieser Anmeldung explizit genannten Polymere verwendet werden, sondern alle bekannten Polymere. Diese speziell abgestimmten Schichten können beispielsweise in den weiter oben erwähnten Lebensmitteldetektoren erfindungsgemäß vorteilhaft eingesetzt werden.In the two aforementioned embodiments, not only those in this Registration explicitly mentioned polymers are used, but all known Polymers. These specially matched layers can, for example, in the Food detectors mentioned above are advantageous according to the invention be used.
Fig. 36 zeigt ein weiteres Beispiel. Hier ist ein Transistor erzeugt worden, indem bei 1 und 2 ebenfalls unterschiedliche Metalle verwendet worden sind, während die Bereiche 3a, 3b, und 3c unterschiedlich dotiert worden sind. Dabei sind die Bereiche 3a und 3c p-leitend, während der Bereich 3b n-leitend ist. Fig. 36 shows another example. Here, a transistor has been generated by have been used at 1 and 2 also different metals, while the areas 3 a, 3 b, and 3 c are doped differently. The regions 3 a and 3 c are p-conductive, while the region 3 b is n-conductive.
Fig. 32 zeigt einen Schichtaufbau einer organischen Photovoltazelle (Solarzelle) oder einer organischen Leuchtdiode. Auf einem transparenten Glassubstrat 11 befindet sich ein transparenter elektrisch leitfähiger, organischer Leiter (z. B. PeDOT) 12 oder ein transparenter elektrisch leitfähiger anorganischer Leiter (z. B. ITO). Auf dem organischen Leiter 12 befindet sich das erfindungsgemäße Polymer 13. Auf dem Polymer ist wiederum ein organischer Leiter 14 aufgebracht. Alternativ kann in der Ausführungsform gemäß Fig. 32 zwischen den Schichten 12 und 13 bzw. 13 und 14 die Anordnung weiterer Schichten aus Metall, aus organischen Leitern oder anorganischen Halbleitern vorgesehen sein. Fig. 32 shows a layer structure of an organic photoconductor Volta cell (solar cell) or an organic light emitting diode. A transparent electrically conductive, organic conductor (e.g. PeDOT) 12 or a transparent electrically conductive inorganic conductor (e.g. ITO) is located on a transparent glass substrate 11 . The polymer 13 according to the invention is located on the organic conductor 12 . An organic conductor 14 is in turn applied to the polymer. Alternatively, in the embodiment according to FIG. 32, the arrangement of further layers made of metal, organic conductors or inorganic semiconductors can be provided between layers 12 and 13 or 13 and 14 .
Fig. 33 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Bauelementes 30. Bei diesem Bauelement 30 befindet sich auf einem Glassubstrat, welches alternativ auch aus Metall oder Kunststoff gefertigt sein kann, ein elektrischer Leiter 22. Auf dem elektrischen Leiter 22 ist ein anorganischer Halbleiter aufgebracht. Beispielhaft seien TiO2 oder SnO2 genannt. Auf dem anorganischen Halbleiter 23 befindet sich dann das erfindungsgemäße Polymer 24. Fig. 33 ist die Oberfläche des anorganischen Halbleiters 23 rau, so daß die auf dieser unregelmäßigen Schicht aufgebrachte Polymerschicht 24 ebenfalls eine unebene Oberfläche 24a aufweist. Auf der Oberfläche 24a befindet sich alternativ eine Flüssigkeit, ein Gasgemisch oder ein Elektrolyt, wobei letzterer flüssig oder fest sein kann. Diese Schicht aus Flüssigkeit, Gasgemisch oder Elektrolyt ist mit dem Bezugszeichen 25 bezeichnet. Diese Schicht 25 wird von einer weiteren Schicht eines elekrischen Leiters 26 begrenzt. Auf dem elektrischen Leiter 26 befindet sich erneut ein Glassubstrat 27, welches alternativ aus Kunststoff ausgebildet sein kann. Fig. 33 shows a further preferred embodiment of a device 30 according to the invention. In this component 30 there is an electrical conductor 22 on a glass substrate, which can alternatively also be made of metal or plastic. An inorganic semiconductor is applied to the electrical conductor 22 . Examples include TiO 2 or SnO 2 . The polymer 24 according to the invention is then located on the inorganic semiconductor 23 . Fig. 33, the surface of the inorganic semiconductor 23 is rough, so that the polymer layer 24 applied to this irregular layer also has an uneven surface 24 a. Alternatively, there is a liquid, a gas mixture or an electrolyte on the surface 24 a, the latter being liquid or solid. This layer of liquid, gas mixture or electrolyte is designated by reference number 25 . This layer 25 is delimited by a further layer of an electrical conductor 26 . On the electrical conductor 26 there is again a glass substrate 27 , which can alternatively be made of plastic.
Handelt es sich bei der Schicht 25 um eine Flüssigkeit oder ein Gasgemisch und wird auf die Schicht 26 verzichtet, so bildet das Bauelement 30 eine Photoo xidationszelle. Wird die Schicht 25 als Elektrolyt ausgebildet, so bildet das Bauelement 30 eine photovoltaische Zelle, d. h. eine Solarzelle. Bei dieser Ausführungsform kann das Polymer sowohl an, als auch im anorganischen Halbleiter 23 angebunden sein.If layer 25 is a liquid or a gas mixture and layer 26 is dispensed with, component 30 forms a photooxidation cell. If the layer 25 is formed as an electrolyte, the component 30 forms a photovoltaic cell, ie a solar cell. In this embodiment, the polymer can be bonded to as well as in the inorganic semiconductor 23 .
Über die bisher erwähnten Ausführungsformen hinaus kann die erfindungsgemäße Polymerschicht auch als semipermeable Membran für sensorische Anwendungen verwendet werden. In addition to the previously mentioned embodiments, the inventive one Polymer layer also as a semipermeable membrane for sensory applications be used.
Fig. 34a und 34e zeigen das schematische Gerüst der für die Polymerisation der erfindungsgemäßen Polymerschicht verwendeten Polymere. Aus diesen Monomeren können sowohl reine Polymere als auch Copolymere oder Propfpolymere hergestellt werden. Mit dem Bezugszeichen 31 ist die polymerisierbare Gruppe bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen 32 ist der Spacer bezeichnet. Mit dem Bezugszeichen 33 ist der organische Halbleiter bezeichnet. FIG. 34a and 34e show the schematic structure of the polymers used for the polymerization of the polymer layer according to the invention. Both pure polymers and copolymers or graft polymers can be produced from these monomers. The polymerizable group is designated by the reference number 31 . The spacer is designated by the reference numeral 32 . The reference numeral 33 denotes the organic semiconductor.
Claims (18)
mit einer die elektrischen Eigenschaften des elektrischen Bauelementes beein flussenden, mindestens ein Polymer enthaltenden Schicht, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer mindestens einen molekularen organi schen Halbleiter enthält,
wobei der mindestens eine molekulare organische Halbleiter mindestens eine polymerisierbaren Gruppe aufweist, über welche Gruppe der molekulare organische Halbleiter zu dem Polymer polymerisiert ist.1. electrical component,
with a layer which influences the electrical properties of the electrical component and contains at least one polymer, characterized in that the polymer contains at least one molecular organic semiconductor,
wherein the at least one molecular organic semiconductor has at least one polymerizable group, via which group the molecular organic semiconductor is polymerized to form the polymer.
wobei der mindestens eine molekulare organische Halbleiter einen makrozyklischen Liganden und/oder dessen Metallkomplexe enthält, insbesondere substituierte und/oder unsubstituierte Phtalocyanine, substituierte und/oder unsubstituierte Porphyrine, substituierte und/oder unsubstituierte Porphyrazine, substituierte und/oder unsubstiuierte Naphtalocyanine, substituierte und/oder unsubstituierte Biphtalocyanine, substituierte und/oder unsubstituierte Merocyanine und/oder substituierte und/oder unsubstituierte Chlorine enthält,
oder einen kondensierten Aromaten, insbesondere substituierte und/oder unsubstituierte Perylenfarbstoffe und -pigmente und deren Derivate, substituierte und/oder unsubstituierte Terrylene und deren Derivate, substituierte und/oder unsubstituierte Quaterrylene und deren Derivate, und/oder substituierte und/oder unsubstituierte Coronene und deren Derivate enthält.2. Component according to claim 1,
wherein the at least one molecular organic semiconductor contains a macrocyclic ligand and / or its metal complexes, in particular substituted and / or unsubstituted phthalocyanines, substituted and / or unsubstituted porphyrins, substituted and / or unsubstituted porphyrazines, substituted and / or unsubstituted naphthalocyanines, substituted and / or contains unsubstituted biphthalocyanines, substituted and / or unsubstituted merocyanines and / or substituted and / or unsubstituted chlorines,
or a condensed aromatic, in particular substituted and / or unsubstituted perylene dyes and pigments and their derivatives, substituted and / or unsubstituted terrylenes and their derivatives, substituted and / or unsubstituted quaterrylenes and their derivatives, and / or substituted and / or unsubstituted coronenes and their Contains derivatives.
- - ein elektrischer Leiter wird zur Verfügung gestellt,
- - ein molekularer organischer Halbleiter wird mit polymerisierbaren Gruppen modifiziert,
- - der molekulare organische Halbleiter wird auf den elektrischen Leiter elektropolymerisiert.
- - an electrical conductor is provided,
- a molecular organic semiconductor is modified with polymerizable groups,
- - The molecular organic semiconductor is electropolymerized on the electrical conductor.
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