Design, synthesis, and characterization of functional organic materials for optoelectronic applications
Optoelektronik uygulamalar için fonksiyonel organik malzemelerin dizaynı, sentezi ve karakterizasyonu
- Tez No: 540995
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HAKAN USTA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Kimya, Chemistry
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2018
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Abdullah Gül Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Malzeme Bilimi ve Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 196
Özet
π-konjuge yarıiletken küçük molekül ve polimerlerin fonksiyonel organik malzemeler olarak geliştirilmesi optoelektronikte ortaya çıkan ve aralıksız büyümeye devam eden bir araştırma alanıdır. Gelecek nesil optoelektronik teknolojisinde mantık devreleri, esnek ekranlar, bükülebilir güneş panellerinde ve elektronik derilerde, yarı iletken küçük moleküller ve polimerler, yüksek performanslı organik ince-film transistörler (OTFT) ve fotovoltaiklerin (OPV) ana öğesi olarak öngörülmektedir. Ana motivasyon, son birkaç on yıldır devam eden yeni π-sistemlerin tasarlanıp sentezlenmesi sadece yük-taşımayı iyileştirmek, cihaz karakteristiği ve yeni fonksiyonelleri keşfetmeyi içermez aynı zamanda belirlenen molekülün optoelektronik özelliği ve elektrik performansı arasındaki ilişkiyi daha iyi anlamaktır. Bu tezde, OTFT ve OPV uygulamalar için, yeni π-konjuge yarıiletkenlerin teorik tasarım, sentez ve karakterizasyonuyla birlikte farklı kimyasal yapıları çalışılmış ve araştırılmıştır. Birinci bölümde π-konjuge yarıiletken malzemeler ve organik elektronik aygıtların genel konsepti ve temel kavramlar üzerinde durulmuş ve kapsamlı bir literatür taramasıyla bu alandaki en güncel sonuçlara erişilmiştir. OTFT'lerin sınıflandırılması yarıiletken malzemenin π yapısına bağlı olarak belirlenen n-kanal, p-kanal ve çift kanallı olmak üzere ana yük taşıyıcı tipine göre yapılmaktadır. Ayrıca, OPV'lerin çalışma mekanizması kullanılan yarıiletkenin π yapısının elektronik/yapısal özelliklere etkisi üzerinden incelenmiştir. İkinci bölümde yeni indeno[1,2-b]fluorene-6,12-dione-thiophene temelli yüksek π-konjuge donor-akseptör moleküler mimariye sahip DD-TIFDKT, 2EH-TIFDKT ve 2OD-TIFDKT küçük molekülleri tasarlanmış, sentezlenmiş ve karakterize edilmiştir. Indeno[1,2-b]fluorene-6,12-dione akseptör olarak tiyofen de donor olarak kullanılmıştır. Yarı iletken yapıları lineer –n-C12H25 veya 2-ethylhexyl-/2-octyldodecyl dallanmış α,ω-son fonksiyonel gruplu alkil zincirlerine sahip olup 1.7–1.8 eV düzeyinde düşük enerji bant aralığına sahiptir. Yeni yarıiletkenlerin alkil zincir boyutu ve yöneliminin optoelektronik özellikler, moleküller arası kohezif kuvveti, ince-film yapısı ve yük taşınım performansı üzerindeki etkisinin araştırılması yapı-özellik-fonksiyonellik bağıntısını ortaya koymuştur. 2EH-TIFDKT ve 2OD-TIFDKT yarı iletken malzemelerin çözücü ile proses edildiği yarı iletken OTFT cihazlar elektronlar için 0.04–0.12 cm2/V·s ve deşikler için 0.0003–0.02 cm2/V·s taşınım değerleri ve 105 - 106 düzeyindeki Ion/Ioff oranı ile mükemmel çift yönlü davranış göstermekte; çözücü ile proses edilebilen β-pozisyonundakine oranla taşıyıcı iletkenliğinde 2-3 kat artış sağlamıştır. β-pozisyonundaki değişim önemli biçimde π-yapı düzlemselliğini arttırmışken çözünürlük daha iyi hale gelmiş ve yük taşınım karakteristiği artmıştır. Üçüncü bölümde, 3 farklı yeni solüsyondan proses edilebilen BODIPY temelli yarıiletken malzemeler (BDY-3T-BDY, BDY-4T-BDY ve BDY-PhAc-BDY) sentelenmiş. Tüm malzemeler n-karakterli OTFT cihazda çalıştı. BDY-4T-BDY temelli alt kapı/üst kontak cihazda Ion/Ioff >108 electron hareketliliği ise 0.01 cm2/V·s den yüksek çıkmıştır. Bu sonuç bugüne kadar ki literatürde bilinen BODIPY temelli malzemelerde yüksek yük-taşıma hareketliliği ne sahiptir. BDY-3T-BDY ise elektron hareketliliği 2.7×10-4 cm2/V·s ve 9.6×105 Ion/Ioff oranına sahiptir. BDY- PhAc –BDY ise elektron hareketliliği 0.004 cm2/V·s ve Ion/Ioff105-106'dur. Bu moleküllerin kimyasal yapıları, optik/elektrokimyasal özellikleri ve ince-film yapıları 1H/13C NMR, kütle spektrometresi, siklik voltametri, UV-Vis absorbsiyon spektroskopisi, termogravimetrik , atomik kuvvet misroskopisi (AFM) ve X-ray kırılım(XRD) analizi ile karakterize edilmiştir. Dördüncü bölümde, Boron içeren P(2OD-TBDY-T) ve P(2OD-TBDY-TT) polimerleri sentezlenmiş ve OTFT ile OPV'de ki optoelektronik özellikleri araştırılmıştır. P(2OD-TBDY-T) temelli polimer, alt kapı/üst kontak OTFT cihazda Ion/Ioff oranı >108 ve deşik hareketliliği 0.005 cm2/V·s sergilemiştir. Ters çevrilmiş BHJ-Güneş pillerinin aktif tabakasında (P(2OD-TBDY-T):PC71BM kullanımı ile % 6,2 güneş enerjisi çevirme verimi (PCE) ve 16.6 mA/cm2 kısa devre akımı ile harika sonuçlar elde edilmiştir. Bu sonuçlar mantıklı tasarımlarla BODIPY temelli donor kopolimerlerin yüksek performanslı OPV'ler için kullanılabileceğini göstermektedir. Bu tez kapsamında yapılan çalışmaların bulguları matematiksel modelleme ışığında gerçekleştirilen sentez dizaynları ile moleküler ve polimerik yarıiletkenlerin fizyokimyasal/optoelektronik özelliklerinin yanında elektron/deşik taşınım karakteristiklerinin de büyük ölçüde geliştirilerek yeni fonksiyonlar kazandırılabileceğini ortaya koymaktadır. Elde ettiğimiz sonuçların yüksek performanslı optoelektronik uygulamalarında kullanılacak farklı yapılardaki yarıiletken malzemelerin araştırılması ve optimize edilmesi için önemli bilgiler ve motivasyon sağlayacağını düşünmekteyiz.
Özet (Çeviri)
The development of π-conjugated semiconducting small molecules and polymers as functional organic materials is an emerging and continuously growing research area in (opto)electronics. Semiconducting small molecules and polymers are envisioned as key components of high-performance organic thin-film transistors (OTFTs) and photovoltaics (OPVs) for next-generation (opto)electronic technologies such as plastic logic circuits, flexible displays, rollable solar panels, and electronic skins. The main motivations in continuously designing and synthesizing new π-frameworks in the past few decades do not only include improving charge-transport and device characteristics and realizing novel functions, but also better understanding and addressing molecular structure-(opto)electronic property-electrical performance relationships. This thesis studies and explores the rational design, synthesis, and characterization of novel π-conjugated semiconductors with varied chemical structures for OTFT and OPV applications. In the first chapter, the general concepts and fundamentals of π-conjugated semiconducting materials and organic electronic devices are discussed along with a deep literature review focusing on most up-to-date results in the field. OTFTs are classified and described based on the major charge carrier type as n-channel, p-channel, and ambipolar devices, which is closely related to the semiconductor's π-structure. The mechanism of OPVs' working principle is also reviewed describing the electronic/structural effects of semiconductor π-structure on these devices. The second chapter deals with the design, synthesis, and characterization of a series of new indeno[1,2-b]fluorene-6,12-dione-thiophene small molecules, DD-TIFDKT, 2EH-TIFDKT, and 2OD-TIFDKT that consist of highly π-conjugated donor–acceptor molecular architectures based on indeno[1,2-b]fluorene-6,12-dione acceptor unit and thiophene donor units. The semiconductor structures have low band gaps of 1.7–1.8 eV, and they are α,ω-end-functionalized with linear –n-C12H25 chains or swallow-tail 2-ethylhexyl-/2-octyldodecyl chains. The detailed study on the effects of alkyl chain size and orientation on the optoelectronic properties, intermolecular cohesive forces, thin-film microstructures, and charge transport performances of the new semiconductors, which revealed crucial structure–property–function relationships. The solution-processed OTFT devices of the current semiconductors, 2EH-TIFDKT and 2OD-TIFDKT, exhibit excellent ambipolar behavior with carrier mobilities of 0.04–0.12 cm2/V·s and 0.0003–0.02 cm2/V·s for electrons and holes, respectively, and Ion/Ioff ratios of 105 to 106, which indicates two–three orders of carrier mobility enhancement compared to those of solution-processed β-substituted counterparts. In the rational design of the new molecules, the repositioning of the insulating β-substituents to molecular termini is found to significantly enhance the π-core planarity while maintaining a good solubility, which improved the charge-transport characteristics. In the third chapter, three novel solution-processable BODIPY-based semiconducting materials (BDY-3T-BDY, BDY-4T-BDY, and BDY-PhAc-BDY) were synthesized. All these materials displayed n-channel OTFT device operation. BDY-4T-BDY based bottom-gate/top-contact devices exhibited extremely high Ion/Ioff ratios of >108 and electron mobilities of up to 0.01 cm2/V·s. Up to now, this result is one of the best charge-carrier mobilities among the known BODIPY based materials in the literature. BDY-3T-BDY showed electron mobilities of 2.7×10-4 cm2/V·s and Ion/Ioff ratio of 9.6×105 . BDY- PhAc –BDY displayed electron mobilities of 0.004 cm2/V·s and Ion/Ioff ratio of 105-106. The chemical structures, optical/electrochemical properties, and thin-film microstructures for these semiconductors were fully characterized by 1H/13C NMR, mass spectrometry, cyclic voltammetry, UV-Vis absorption spectroscopy, thermogravimetric, atomic force microscope (AFM) and X-ray diffraction (XRD) analysis. In the fourth chapter, boron containing polymers P(2OD-TBDY-T) and P(2OD-TBDY-TT) were synthesized and their optoelectronic properties in OTFT and OPV devices were investigated. P(2OD-TBDY-T) based bottom-gate/top-contact OTFT devices exhibited Ion/Ioff ratios of >108 and hole mobilities of 0.005 cm2/V·s. Inverted BHJ-OPVs employing (P(2OD-TBDY-T):PC71BM active layer exhibited excellent power conversion efficiencies (PCE) of 6.2% with a short-circuit current of 16.6 mA/cm2. These results showed that rationally designed BODIPY based donor copolymers could be used in high-performance OPVs. The findings presented in this thesis suggest that through computational modeling guided rational design and synthetic tailoring, physicochemical/optoelectronic properties and electron/hole transport characteristics of molecular and polymeric semiconductors can be significantly improved realizing new functions. We believe that our results will provide key structural/electronic information and additional motivation in the field to investigate and optimize structurally varied semiconductors for high-performance organic (opto)electronic applications.
Benzer Tezler
- Elektronik ve optoelektronik uygulamalar için siyanofenil tiyenotiyofen ve bor içeren materyaller
Cyanophenyl thienothiophene and boron containing materials for electronic and optoelectronic applications
RECEP İŞÇİ
- Synthesis of conducting polymers and investigation of their electrical properties
İletken polimerlerin sentezi ve elektriksel özelliklerinin incelenmesi
ESMA AHLATCIOĞLU
Doktora
İngilizce
2015
Polimer Bilim ve Teknolojisiİstanbul Teknik ÜniversitesiPolimer Bilim ve Teknolojisi Ana Bilim Dalı
PROF. DR. BAHİRE FİLİZ ŞENKAL
DOÇ. DR. MUSTAFA OKUTAN
- Alkylthio-and alkynylthio-substituted phthalocyanines
Alkiltiyo- ve alkiniltiyo-sübstitüe ftalosiyaninler
SAİDA KAİPOVA
Yüksek Lisans
İngilizce
2013
Kimyaİstanbul Teknik ÜniversitesiKimya Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. HATİCE DİNÇER
- Sentezlenen tek kristal Cu(II) kompleksinin yapı-özellik ilişkilerinin incelenmesi
Investigation of structure-property relations of synthesized single crystal Cu(II) complex
HATİCE ESRA CÖMERT
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Fizik ve Fizik MühendisliğiSakarya ÜniversitesiFizik Ana Bilim Dalı
PROF. DR. DAVUT AVCI
- Enerji, optik sensör ve aktif gıda paketleme alanlarında kullanılmak üzere yüzeyi işlevselleştirilmiş floresans karbon noktaların geliştirilmesi
Development of surface functionalized fluorescence carbon dots for use in energy, optical sensor, and active food packaging areas
MELİS ÖZGE ALAŞ
Doktora
Türkçe
2022
Kimya MühendisliğiMersin ÜniversitesiKimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. RÜKAN GENÇ ALTÜRK