WO2005078742A2 - Polymersystem mit definiert einstellbarer ladungsträgerbeweglichkeit - Google Patents

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WO2005078742A2
WO2005078742A2 PCT/EP2005/001353 EP2005001353W WO2005078742A2 WO 2005078742 A2 WO2005078742 A2 WO 2005078742A2 EP 2005001353 W EP2005001353 W EP 2005001353W WO 2005078742 A2 WO2005078742 A2 WO 2005078742A2
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doping
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Silvia Janietz
Hartmut Krüger
Armin Wedel
Dessislava Sainova
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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    • H01B1/12—Conductors or conductive bodies characterised by the conductive materials; Selection of materials as conductors mainly consisting of other non-metallic substances organic substances
    • H01B1/124—Intrinsically conductive polymers
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    • H01B1/124—Intrinsically conductive polymers
    • H01B1/128—Intrinsically conductive polymers comprising six-membered aromatic rings in the main chain, e.g. polyanilines, polyphenylenes

Definitions

  • the present invention relates to a polymer system with defined adjustable charge carrier mobility from at least one semiconducting polymer, copolymer and / or polymer blend with a charge carrier mobility in the range from 10 "8 to 1 cm 2 / Vs and at least one organic covalently bonded in the polymer, copolymer and / or polymer blend
  • Such polymer systems, copolymers and / or polymer blends are used in electronic components, in particular organic field effect transistors, polymeric diode structures, organic light-emitting diodes and photovoltaic cells based on semiconducting polymers.
  • Poly (3-alkylthiophenes) belong to a class of polymers with charge carrier mobilities up to 10 "2 cm 2 / Ns, which are used in organic field effect transistors, cf. Z. Bao, A. Dodabalapur, AJ Lovinger, Appl. Phys Lett., Vol. 69 (26) December 1996, pp. 4108-4110 and H. Sirringhaus, PJ Bro n, MM Nielsen, K. Bechgaard, BMW Langeveld-Voss, AJH Spiering, RAJ Jansson, EW Meijer, P. Herwig, DM de Leeuw, Nature, Vol. 401, October 1999, pp. 685-688
  • the P3HTs which have been commercially available and correspond to the prior art have hitherto been found to be clearly contaminated by metal and halide ions, the content of which varies from batch to batch
  • the up Cleaning leads, as stated in DE 103 24 554, to reproducible results.
  • the mobility of the charge decreases by an order of magnitude.
  • the doping can be achieved both by simple mixing in and by incorporating doping molecules into a polymer chain. The doping through
  • Interference can be achieved by using strong organic electron acceptors (such as, for example, 2,3-dichloro-5,6-dicyanobenzoquinone, 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane or else 7,7,8-tetracyan 2,3) as dopants.
  • strong organic electron acceptors such as, for example, 2,3-dichloro-5,6-dicyanobenzoquinone, 7,7,8,8-tetracyanoquinodimethane or else 7,7,8-tetracyan 2,3
  • 5, 6-tetrafluoroquinodimethane p-semiconducting materials can be added in a defined manner, cf. S. Badriya, B. Eccleston, I. Liversedge, M. Raja, N. Sedghi, 54 th ISE, San Pedro, Brazil 2003, Abstract 127. It has been reported that an interference of about 0.5 to 10 percent by weight of an organic electron acceptors (such as, for example, 2,3-
  • a polymer system with a defined adjustable charge carrier mobility consisting of at least one semiconducting polymer, copolymer and / or polymer blends with a charge carrier mobility in the range of 10 ** 8 to 1 cm 2 / Vs and at least one organic doping molecule covalently bound in the polymer is used as an acceptor with a reduction potential of 0.2 to -1.0 V vs. SCE, ie a saturated calome electrode, and / or donor with an oxidation peak potential of 0.2 to 1.0 V vs. SCE provided.
  • the potentials mentioned are determined cyclo voltammetrically or polarographically.
  • the semiconducting polymer, copolymer and / or polymer blend used are those selected from the group of the polyheteroarylenes, for example polyfluorenes, the organo-soluble poly-p-arylene-vinylenes, for example poly-p-phenylene-vinylene (PPV), Po - lythiophenes and conductor polymers.
  • the semiconducting polymer is particularly preferably a poly (3-alkylthiophene).
  • the doping molecule is preferably an acceptor which is selected from the group of the dihalogen-substituted quinones, tetrafluorobenzenes and tetracyanodimethanes. Doping molecules which are selected from the group of compounds of the general formulas I to VI are particularly preferred
  • acceptor molecules are dihalogen-substituted molecules which can be obtained using metal-catalyzed polymerization processes, For example, according to McCullogh, Yamamoto or Suzuki, have them built into the semiconducting polymers.
  • the doping molecule is a dihalo-substituted donor.
  • Donor molecules must be able to transfer electrons to the semiconducting material. This creates additional electrons in the semiconductor as free charge carriers.
  • Dihalogen-substituted donor molecules are particularly preferred as donors.
  • the doping molecule is particularly preferably a compound of the general formula VIII
  • the at least one doping molecule is preferably present in a concentration of 0.4 to 20% by weight, particularly preferably 1 to 10% by weight, based on the overall system.
  • the polymer system according to the invention preferably consists of a semiconducting polymer, copolymer and / or polymer blend with a charge carrier mobility of greater than 10 "5 cm 2 / Vs.
  • an electronic component is also provided which contains a polymer system according to the invention according to one of claims 1 to 8.
  • Such polymer systems are used in electronic components, in particular organic field effect transistors, polymeric diode structures, organic light-emitting diodes and photovoltaic cells based on semiconducting polymers.
  • Figure 1 shows a 13 C-NMR spectrum of a pol (3-hexylthiophene) with built-in 4.3 mol% of 9-dicyanomethane fluorene.
  • Figure 2 shows a comparison of the output characteristics of transistors with undoped or doped poly (3-hexylthiophene).
  • FIG. 3 shows transfer characteristics of the transistors of undoped or doped poly (3-hexylthiophene).
  • FIG. 4 shows the results of threshold voltage investigations of undoped or doped poly (3-hexylthiophene).
  • the incorporation of the doping molecules into the semiconducting polymer first requires the provision of a corresponding bi-functionalized doping molecule.
  • the 2,7-dibromo-9-fluorenone was reacted with malononitrile to form the organic acceptor molecule 2, 7-dibromo-9-dicyanomethane-fluorene by means of a Knoevennagel condensation.
  • Grignard metathesis with acceptor incorporation in the polymer main chain.
  • regioregular poly (3-hexylthiophene) with different contents of the acceptor molecule of 9-dicyanomethane fluorene were found in the polymer Main chain received.
  • Table 1 shows poly (3-hexylthiophenes) with different contents of firmly integrated acceptor molecules (acceptor: 2, 7-dibromo-9-dicyanomethane fluorene).
  • the polymers were made as follows
  • the 2, 7-dibromo-9-dicyanomethane fluorene for example 0.225 g (0.583 mmol; 7.1 mol% based on the 2, 5-dibromo-3-hexylthiophene) and 42 mg (0.0775 mmol ) of [1, 3-bis (-diphenylphosphino) propane] dichloro-Ni (II) as a catalyst and the reaction solution is heated under reflux for 24 h. The reaction solution was cooled to room temperature and precipitated in acetone or Bethanoi.
  • the organic phase was washed neutral and filtered through a silica gel acid.
  • the organic phase was concentrated to about 20 ml and repeatedly precipitated in methanol. After drying in the VHS at 40 ° C, 550 mg (43%) of polymer were still present, cf. Test 2 in the table).
  • Field effect transistors were set up to test how successfully the incorporation of doping molecules (here acceptor) has improved the properties of the polymeric semiconductor.
  • a bottom-gate transistor configuration was used, with silicon gate electrode, Si0 2 insulator layer (capacitance 14.6 nF / cra 2 ) and gold source-drain electrodes.
  • Two types of samples were used - one with the cleaned one Poly (3-hexylthiophene) (P3HT) as the active layer and one with the cleaned poly (3-hexylthiophene) (P3HT) with built-in dopant molecules
  • P3HT Poly (3-hexylthiophene)
  • P3HT Poly (3-hexylthiophene)
  • P3HT poly (3-hexylthiophene)
  • the electrical characterization of the transistor samples was also carried out in a glove box atmosphere.
  • the output characteristics of the transistors with the different active layers are shown in FIG. 2.
  • FIG. 2a shows output characteristics of the transistors with the cleaned pole (3-hexylthiophene) and FIG. 2b poly (3-hexylthiophene) with 1.8 mol% of permanently incorporated acceptor molecules in the main chain.
  • the saturation mobilities of the polymers were determined from the transfer characteristics.
  • the results for two different transistor channel lengths are summarized in Table 2. This shows the mobility of the transistor samples based on the poly (3-hexylthiophene) (P3HT) of the dopant-containing polymer with 1.8 mol% of permanently incorporated acceptor molecules in the main chain. Mainly, the demonstrated mobility values for the acceptor-containing polymer are increased by an order of magnitude compared to the purified P3HT.
  • P3HT poly (3-hexylthiophene)
  • the doping accordingly increased the mobility of the charge carriers and stabilized the transistor characteristics.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Polymersystem mit definiert einstellbarer Ladungsträgerbeweglich­keit aus mindestens einem halbleitendem Polymer, Co­polymer und/oder Polymerblend mit einer Ladungsträ­gerbeweglichkeit im Bereich von 10-8 bis 1 cm2/Vs und mindestens einem im Polymer, Copolymer und/oder Poly­merblend kovalent gebundenem organischen Dotiermole­kül als Akzeptor und/oder Donator. Verwendung finden derartige Polymersysteme, Copolymer und/oder Polymerblend in elektronischen Bauelementen, insbesondere organischen Feldeffekttransistoren, polymeren Dioden­strukturen, organischen Leuchtdioden und photovoltai­schen Zellen auf Basis von halbleitenden Polymeren.

Description

Polymersystem mit definiert einstellbarer Ladungsträgerbeweglichkeit
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Polymersystem mit definiert einstellbarer Ladungsträgerbeweglichkeit aus mindestens einem halbleitendem Polymer, Copolymer und/oder Polymerblend mit einer Ladungsträgerbeweglichkeit im Bereich von 10"8 bis 1 cm2/Vs und mindestens einem im Polymer, Copolymer und/oder Polymerblend kovalent gebundenem organischen Dotiermolekül als Akzeptor und/oder Donator. Verwendung finden derartige Polymersysteme, Copolymer und/oder Polymerblend in elektronischen Bauelementen, insbesondere organischen Feldeffekttransistoren, polymeren Diodenstrukturen, organischen Leuchtdioden und photovoltai- schen Zellen auf Basis von halbleitenden Polymeren.
Für die Anwendung von organischen Materialien in, elektronischen Bauelementen sind in der Regel hochreine, definierte Materialien, die frei von ionischen Verunreinigungen sein müssen, notwendig. Ionische Verunreinigungen, die aus der Synthese der Materialien oder Reinigungsprozessen stammen können, führen zu einer unkontrollierten Störstellenleitung ähnlich einer nicht beabsichtigten Dotierung im anorganischen Halbleiter. Die elektronischen Eigenschaften der Bauelemente werden dann nicht nur von den intrinsischen Materialparametern sondern auch von den Verunreinigungen bestimmt. Diese Verunreinigungen besitzen kei- ne definierten Ladungstransportzustände . Deshalb sind reproduzierbare Ergebnisse nur mit hochreinen Materialien zu erzielen. Um die Beweglichkeit der Ladungsträger, d.h. Elektronen, Löcher, in den elektronischen Bauelementen trotzdem zu erhöhen, ist es not- wendig, die Materialien gezielt mit Störstellen zu beeinflussen, d.h. zu dotieren.
Poly (3-alkylthiophene) (P3HT) zählen zu einer Klasse von Polymeren mit Ladungsträgerbeweglichkeiten bis zu 10"2 cm2 /Ns , die in organischen Feldeffekttransistoren eingesetzt werden, vgl. Z. Bao, A. Dodabalapur, A.J. Lovinger, Appl . Phys . Lett . , Vol. 69 (26) Dezember 1996, S. 4108-4110 und H. Sirringhaus, P.J. Bro n, M.M. Nielsen, K. Bechgaard, B.M.W. Langeveld-Voss, A.J.H. Spiering, R.A.J. Jansson, E.W. Meijer, P. Herwig, D.M. de Leeuw, Nature, Vol. 401, Oktober 1999, S. 685-688. Die bisher kommerziell verfügbaren und dem Stand der Technik entsprechenden P3HTs weisen bisher deutliche Verunreinigungen durch Metall- und Halogenidionen auf, deren Gehalt sich von Charge zu
Charge deutlich unterscheiden kann. Für die Anwendung in elektronischen Bauelementen ist das ein entscheidender Nachteil, weil die Verunreinigungen, auch im ppm-Bereich zu sehr unterschiedlichen Materialeigen- Schäften führen und zusätzlich die Lebensdauer der
Bauelemente nachteilig beeinflussen können. Die Auf- reinigung führt, wie in der DE 103 24 554 ausgeführt, zu reproduzierbaren Ergebnissen. Bei unseren Untersuchungen wurde festgestellt, dass im Vergleich zum nicht aufgereinigten P3HT die Ladungsträgerbeweglich- keiten um ca. eine Größenordnung absinken. Um diese Verringerung wieder auszugleichen, wird vorgeschlagen, eine gezielte Dotierung vorzunehmen. Die Dotierung kann sowohl durch die einfache Einmischung als auch durch den Einbau von Dotiermolekülen in eine po- lymere Kette erreicht werden. Die Dotierung durch
Einmischung kann dadurch realisiert werden, dass als Dotiermittel starke organische Elektronenakzeptoren (wie z.B. 2 , 3-Dichlor-5, 6-dicyanbenzochinon, 7,7,8,8- Tetracyanochinodimethan oder auch 7, 7, 8-Tetracyan- 2 , 3 , 5, 6-tetrafluorchinodimethan) p-halbleitenden Materialien definiert zugesetzt werden, vgl. S. Badriya, B. Eccleston, I. Liversedge, M. Raja, N. Sedghi, 54th ISE, San Pedro, Brasilien 2003, Abstract 127. Berichtet wurde, dass durch eine Einmischung von zirka 0,5 bis 10 Gewichtsprozent eines organischen
Akzeptors eine um ein bis zwei Größenanordnungen höhere Löcherbeweglichkeit erreicht wird. Das Problem solcher Mischungen oder Blends besteht darin, dass durch Diffusionsprozesse der organischen Moleküle in der Polymermatrix die Lebensdauer des realisierten Bauteils beeinträchtigt wird.
Ausgehend hiervon war es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, halbleitende Polymere, Copolymere und/oder Polymerblends derart zu modifizieren, um Diffusionsprozesse zu unterbinden und gleichzeitig eine Erhöhung der Ladungsträgerbeweglichkeiten zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch das Polymersystem mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 und ein das erfindungsgemä- ße Polymersystem enthaltendes elektronisches Bauelement gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In Anspruch 10 wird die Verwendung der erfindungsgemäßen Polymersysteme beschrieben.
Erfindungsgemäß wird ein Polymersystem mit definiert einstellbarer Ladungsträgerbeweglichkeit aus mindestens einem halbleitendem Polymer, Copolymer und/oder Polymerblends mit einer Ladungsträgerbeweglichkeit im Bereich von 10**8 bis 1 cm2/Vs und mindestens einem im Polymer kovalent gebundenem organischen Dotiermolekül als Akzeptor mit einem Reduktionspeakpotential von 0,2 bis -1,0 V vs . SCE, d. i. eine gesättigte Kalome- lelektrode, und/oder Donator mit einem Oxidations- peakpotential von 0,2 bis 1,0 V vs . SCE bereitgestellt. Die genannten Potentiale werden dabei cyclo- voltammetrisch bzw. polarographisch bestimmt. Hinsichtlich des Messverfahrens wird auf F. Beck., Elektroorganische Chemie, VCH Wiley, 1974, S. 64 ff. Bezug genommen.
Durch die erfindungsgemäße Einführung von Molekülen mit definierten elektronischen Eigenschaften, d.h. Akzeptoren und Donatoren, können die Ladungsträgerbe- weglichkeiten nun gezielt eingestellt werden.
Als halbleitendes Polymer, Copolymer und/oder Polymerblend werden solche eingesetzt, die ausgewählt sind aus der Gruppe der Polyheteroarylene, z.B. Po- lyfluorene, der organolöslichen Poly-p-arylen- vinylene, z.B. Poly-p-phenylen-vinylene (PPV) , Po- lythiophene und Leiterpolymere . Besonders bevorzugt ist das halbleitende Polymer ein Poly(3- alkylthiophen) . Das Dotiermolekül ist vorzugsweise ein Akzeptor, der aus der Gruppe der dihalogen-substituierten Chinone, Tetrafluorbenzole und Tetracyanodimethane ausgewählt ist. Besonders bevorzugt sind dabei Dotiermoleküle, die aus der Gruppe der Verbindungen mit den allgemeinen Formeln I bis VI
Figure imgf000006_0001
mit Hal=Cl und/oder Br ausgewählt sind.
Besonders geeignet sind als Akzeptormoleküle dihalo- gen-substituierte Moleküle, die sich unter Ausnutzung von metallkatalysierten Polymerisationsverfahren, z.B. gemäß McCullogh, Yamamoto oder Suzuki, in die halbleitenden Polymere einbauen lassen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Dotiermolekül ein dihalogen-substituierter Donator. Donormoleküle müssen in der Lage sein, Elektronen an das halbleitende Material zu übergeben. Dadurch entstehen im Halbleiter zusätzliche Elektronen als freie Ladungsträger.
Als Donator sind vor allem dihalogen-substituierte Donormoleküle bevorzugt. Besonders bevorzugt ist das Dotiermolekül eine Verbindung der allgemeinen Formel VIII
Figure imgf000007_0001
mit R = unabhängig voneinander, H, verzweigter oder geradkettiger Alkyl- oder Alkoxyrest und Hai = Cl und/oder Br.
Vorzugsweise ist das mindestens eine Dotiermolekül in einer Konzentration von 0,4 bis 20 Gew.-%, besonders bevorzugt von 1 bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtsystem, enthalten.
Vorzugsweise besteht das erfindungsgemäße Polymersystem aus einem halbleitenden Polymer, Copolymer und/oder Polymerblend mit einer Ladungsträgerbeweglichkeit von größer 10"5 cm2/Vs . Erfindungsgemäß wird ebenso ein elektronisches Bauelement bereitgestellt, das ein erfindungsgemäßes Polymersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8 enthält.
Verwendung finden derartige Polymersysteme in elektronischen Bauelementen, insbesondere organischen Feldeffekttransistoren, polymeren Diodenstrukturen, organischen Leuchtdioden und photovoltaischen Zellen auf Basis von halbleitenden Polymeren.
Anhand der nachfolgenden Figuren und Beispiele soll der anmeldungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hierin beschriebenen spe- ziellen Ausführungsvarianten einschränken zu wollen.
Figur 1 zeigt ein 13C-NMR- Spektrum eines Pol (3- Hexylthiophens) mit eingebauten 4,3 mol-% des 9-Dicyanomethanfluorens .
Figur 2 zeigt einen Vergleich der Ausgangskennlinien von Transistoren mit undotiertem bzw. dotiertem Poly (3-Hexylthiophen) .
Figur 3 zeigt Transferkennlinien der Transistoren von undotiertem bzw. dotiertem Poly (3 -Hexylthiophen) .
Figur 4 zeigt die Ergebnisse von Schwellspan- nungsuntersuchungen von undotiertem bzw. dotiertem Poly (3 -Hexylthiophen) . Beispiel 1
Synthese des Dotiermoleküls
Der Einbau der Dotiermoleküle in das halbleitende Polymer erfordert zunächst die Bereitstellung eines entsprechenden bi-funktionalisierten Dotiermoleküls.
Figure imgf000009_0001
Durch eine Knoevennagel -Kondensation wurde das 2,7- Dibrom-9-fluorenon mit Malondinitril zu dem organischen Akzeptormolekül 2 , 7-Dibrom-9-dicyanomethan- fluoren umgesetzt.
2 g (5,92 mmol) 2 , 7-Dibrom-9-fluorenon werden in 40 ml Benzol gelöst. Dazu werden 0,4 ml Piperidin und 1 ml Eisessig gegeben. Alles zusammen wird 5 min gerührt und anschließend werden 0,42 g (6,36 mmol) Malondinitril dazugegeben. Die gesamte Reaktionslösung wird 3,5 h in Gegenwart eines Wasserabscheiders auf Rückflug erhitzt. Der ausgefallene Feststoff wird abgesaugt zweimal mit Benzol gewaschen und aus Chloroform umkristallisiert. Ausbeute : 2,2 g (96 %) 2,7 fluoren
EA: theor. prakt .
C 49,78% 50,26%
H 1,57% 1,59%
N 7,25% 6,9%
Br 41,45% 41,1%
Beispiel 2
Einbau eines funktionalisierten Dotiermoleküls in das halbleitende Polymer
Die Herstellung von regioregularen P3HTs ohne Dotiermoleküle mittels Grignard Metathese ist bereits aus der EP 1 028 136 A2 und der US 6,166,172 bekannt.
Figure imgf000010_0001
Grignard Metathese mit Akzeptoreinbau in die polymere Hauptkette . Durch Zusatz verschiedener Konzentrationen des 2,7- Dibrom-9-dicyanomethanfluoren während der Polymerisation des 2,5 Dibrom-3-hexylthiophens mittels Grignard Metathese wurden regioregulare Poly (3-hexylthiophene) mit unterschiedlichen Gehalten an dem Akzeptormolekül des 9-Dicyanomethanfluorens in der polymeren Haupt- kette erhalten.
Tabelle 1 zeigt Poly (3-hexylthiophene) mit unterschiedlichen Gehalten an fest eingebundenen Akzeptormolekülen (Akzeptor: 2 , 7-Dibrom-9-dicyanomethan- fluoren) .
Tabelle 1
Figure imgf000011_0001
Die Polymere wurden folgendermaßen hergestellt
2,5 g (0,00765 mol) des 2 , 5-Dibrom-3-hexylthiophens werden in 45 ml trockenem THF vorgelegt und 8 ml (0,0080 mol) einer 0,1 molaren Methylmagnesiumbromid- lösung in Dibutylether zugetropft. Diese Lösung wird eine Stunde Rückfluss erhitzt. Anschließend werden in diese Reaktionslösung unter Rühren das 2 , 7-Dibrom-9- dicyanomethanfluoren z.B. 0,225 g (0,583 mmol; 7,1 mol% bezogen auf das 2 , 5-Dibrom-3 -hexylthiophen) und 42 mg (0,0775 mmol) des [1, 3 -Bis ( -diphenylphosphino) - propan] -dichlor-Ni (II) als Katalysator zugeben und die Reaktionslösung unter Rühren 24 h Rückfluss erhitzt. Die Reaktionslösung wurde abgekühlt auf Raum- temperatur und in Aceton bzw. Bethanoi ausgefällt. Das abgetrennte Polymer (0,85 g = 67% Rohausbeute) wurde wieder in Chloroform (100 ml) aufgenommen und mittels ammoniakalischer EDDTA-Lösung (110 ml EDDTA + 50 ml NH3-Lösung) 4 h ausgerührt. Die organische Pha- se wurde neutral gewaschen und über eine Kieselgel- säure filtriert. Die organische Phase wurde auf ca. 20 ml eingeengt und wiederholt in Methanol ausgefällt. Nach dem Trocknen im VHS bei 40° C waren noch 550 mg (43%) an Polymer vorhanden, vgl. Angaben Ver- such 2 in der Tabelle) .
In Fig. 1 ist ein 13C-NMR-Spektrum eines Poly (3- hexylthiophens) mit eingebauten 4,3 mol% des 9- Dicyanomethanfluorens dargestellt .
Die Signale bei 108 ppm im 13C-NMR-Spektrum lassen sich dem Kohlenstoffatom aus der CN-Gruppe definiert zuordnen. Aus diesem Grund kann man dann über das Integral genau die eingebaute Menge an dem Akzeptormo- lekül (Dicyanmethanfluoren) bestimmen. Beispiel 3
Physikalische Charakterisierung in OFET Strukturen
Es wurden Feldeffekttransistoren (OFET) aufgebaut um zu testen, wie erfolgreich der Einbau von Dotiermolekülen (hier Akzeptor) die Eigenschaften des polymeren Halbleiters verbessert hat. Eine „bottom-gate" Transistor-Konfiguration wurde angewendet, mit Silizium Gate-Elektrode, Si02-lsolatorschicht (Kapazität 14,6 nF/cra2) und Gold Source-Drain Elektroden. Es wurden zwei Typen von Proben - eine mit dem gereinigten Poly (3-hexylthiophen) (P3HT) als aktive Schicht und eine mit dem gereinigten Poly (3-hexylthiophen) (P3HT) mit eingebauten Dotiermolekülen. Die Polymerschichten wurden durch spin-coating auf die Transistorstrukturen in einer inerten Atmosphäre (Glove-Box) aufgebracht . Die typischen Polymerschichtdicken betragen ca. 100 nm.
Die elektrische Charakterisierung der Transistorproben wurde ebenfalls in einer Glove Box-Atmosphäre durchgeführt. Die Ausgangskennlinien der Transistoren mit den unterschiedlichen aktiven Schichten sind in Fig. 2 dargestellt.
Fig. 2a zeigt dabei Ausgangskennlinien der Transistoren mit dem gereinigten Pol (3 -hexylthiophen) und Fig. 2b Poly (3-hexylthiophen) mit 1,8 mol% fest ein- gebauten Akzeptormolekülen in der Hauptkette.
Nach den Ausgangskennlinien wurden die Transferkennlinien der Transistoren im Sättigungsbereich gemessen. Ein Vergleich zwischen den Ergebnissen für die beiden Transistor-Typen ist in Fig. 3 dargestellt. In diesem Plot sind die Quadratwurzeln der Sättigungs- ströme zwischen den Source-Drain Elektroden als Funktion der GateSpannungen aufgebracht.
Fig. 3 zeigt Transferkennlinien der Transistoren mit dem gereinigten Poly (3 -hexylthiophen) und Poly (3- hexylthiophen mit 1,8 mol% fest eingebauten Akzeptormolekülen in der Hauptkette.
Aus den Transferkennlinien wurden die Sättigungsmobilitäten der Polymeren bestimmt. Die Ergebnisse für zwei unterschiedliche Transistorkanallängen sind in der Tabelle 2 zusammengefasst . Diese zeigt die Beweglichkeiten der Transistor-Proben auf Basis der Poly (3-hexylthiophene) (P3HT) des dotiermolekülhaltigen Polymers mit 1,8 mol% fest eingebauten Akzeptormolekülen in der Hauptkette. Hauptsächlich sind die nachgewiesenen Mobilitätswerte bei dem akzeptorhaltigen Polymer um eine Größenordnung erhöht im Vergleich zu dem aufgereinigten P3HT.
Figure imgf000014_0001
Eine weitere Eigenschaft der dotiermolekülhaltigen Polymeren zeigt sich hinsichtlich der Stabilität der Transistor-Transferkennlinien. In Fig. 4a und b sind drei nacheinander gemessene Transferkennlinien jeweils bei den beiden Transistor-Typen dargestellt. Wie die Figur zeigt, findet bei der Probe mit Poly (3- hexylthiophen) eine Verschiebung der Kennlinien um etwa 10 Volt statt. Die gleichartige Messprozedur führt bei dem dotiermolekülhaltigen Polymer zu keinen Schwellspannungsänderungen. Fig. 4 zeigt dabei SchwellSpannungsuntersuchungen des gereinigten Poly (3-hexylthiophens) a) und des Poly (3- hexylthiophens) mit 1,8 mol% fest eingebauten Akzeptormolekülen in der Hauptkette b) .
Die Dotierung führte demnach zu einer Erhöhung der Ladungsträgerbeweglichkeiten und zur Stabilisierung der Transistorkennlinien.

Claims

Patentansprüche
1. Polymersystem mit definiert einstellbarer Ladungsträgerbeweglichkeit aus mindestens einem halbleitenden Polymer und/oder Copolymer und/oder Polymerblend mit einer Ladungsträgerbeweglichkeit von größer 10"8 cm2/Vs und mindestens einem im Polymer, Copolymer und/oder Polymerblend kovalent gebundenem organischen Dotiermolekül als Akzeptor mit einem Reduktionspeakpotential von 0,2 bis -1,0 V vs . SCE und/oder Donator mit einem Oxidationspeakpo- tential von 0,2 bis 1,0 V vs . SCE.
2. Polymersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ausge- wählt ist aus der Gruppe Polyheteroarylene, z.B. Polyfluorene, organolösliche Poly-p-arylen- vinylene, z.B. Poly-p-phenylen-vinylene (PPV), Po- lythiophene und Leiterpolymere .
3. Polymersystem nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymer ein Poly (3 -alkylthiophen) ist.
4. Polymersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Dotiermolekül ein Akzeptor ausgewählt aus der Gruppe der dihalogen-substituierten Chinone, Tetrafluorbenzole und Tetracyanodimethane ist .
5. Polymersystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Dotiermolekül ausgewählt ist aus der Gruppe der Verbindungen mit den allgemeinen Formeln I bis VI
Figure imgf000017_0001
Figure imgf000017_0002
mit Hai = Cl und/oder Br.
Polymersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche ,
dadurch gekennzeichnet, dass das Dotiermolekül ein dihalogensubstituierter Donator ist.
Polymersystem nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet, dass das Dotiermolekül eine Verbindung der allgemeinen Formel VIII
Figure imgf000018_0001
mit R = unabhängig voneinander H, verzweigter oder geradkettiger Alkyl- oder Alkoxy- rest und Hai = Cl und/oder Br ist .
Polymersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine
Dotiermolekül in einer Konzentration von 0,4 bis zu 20 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtsystem, ent- halten ist .
9. Polymersystem nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Dotiermolekül in einer Konzentration von 1 bis zu 10 Gew.-%, bezogen auf das Gesamtsystem, enthalten ist .
10. Polymersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das halbleitende Polymer, Copolymer und/oder Polymerblend eine Ladungs- trägerbeweglichkeit von größer 10"5 cm/Vs besitzt.
11. Elektronisches Bauelement enthaltend ein Polymersystem nach einem der Ansprüche 1 bis 10.
12. Verwendung des Polymersystems nach einem der Ansprüche 1 bis 10 in elektronischen Bauelementen, insbesondere organischen Feldeffekttransistoren, polymeren Diodenstrukturen, organischen Leuchtdioden und photovoltaischen Zellen auf Basis von halbleitenden Polymeren.
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