Der Einsatz von organischen Materialien, insbesondere von Polymeren, hat zahlreiche Vorteile gegenüber dem Einsatz klassischer Materialien in der Mikroelektronik. Zu diesen zählen Flexibilität, geringes Gewicht, Verarbeitbarkeit durch Verfahren aus Lösung bei Raumtemperatur ohne Notwendigkeit vakuumbasierter Prozesse zur Abscheidung und vieles mehr. Dies ermöglicht eine energie- und kosteneffiziente Herstellung elektronischer Bauteile wie organische Feldeffekttransistoren (OFETs) oder Leuchtdioden (OLEDs), welche durch Prozesse wie dem Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren nicht länger auf kleine Flächen begrenzt sind. Zur Herstellung polymerbasierter OFETs mit optimiertem Eigenschaftsprofil sind neben innovativen Halbleitern vor allem auch neue Dielektrika mit verbesserten elektrischen Eigenschaften erforderlich, zu deren Entwicklung die vorliegende Arbeit beitragen sollte. Das häufig verwendete Polymethylmethacrylat ist für den Einsatz als Gate-Dielektrikum für die organische und gedruckte Elektronik nur bedingt geeignet. Es zeigt einige Nachteile wie eine mangelnde Stabilität gegenüber bestimmten organischen Lösungsmitteln, was zu Quellung oder Anlösen des Dielektrikums während des Aufbringens weiterer Schichten führen kann. Durch Copolymerisation von Methylmethacrylat mit funktionalisierten Comonomeren sollten die Probleme gelöst und optimierte Methacrylat-Copolymere entwickelt werden. Die Copolymere wurden über freie radikalische sowie RAFT-Polymerisation synthetisiert. Allen gemeinsam sind vernetzbare Comonomere, um die Lösungsmittelstabilität zu verbessern und somit die Durchbruchfeldstärke des Dielektrikums zu erhöhen. Als Vernetzer wurden 4-Benzoylphenylmethacrylat (BPMA) oder Propargylmethacrylat (PgMA) gewählt. BPMA ist UV-vernetzbar, Copolymere mit PgMA können in Gegenwart von mehrfunktionalen Aziden wie 1,3,5-Tris(azidomethyl)benzen (TAMB) durch Click-Reaktion thermisch vernetzt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Erhöhung der relativen Permittivität des Dielektrikums zur Steigerung der Kapazität der dielektrischen Schicht, wodurch unter anderem die Betriebsspannung des Transistors reduziert werden kann. Dieses Ziel sollte durch Komposite mit BaTiO3-Nanopartikeln erreicht werden. Zusätzlich zur Steigerung der Permittivität kann dies durch Verringerung der Filmdicke realisiert werden, was jedoch vermehrt zu Leckströmen führen könnte. Neben den dielektrischen Materialeigenschaften spielt vor allem auch die Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Halbleiter eine wesentliche Rolle. Um die Interaktionen an dieser zu verbessern, wurden Comonomere mit selbstorganisierenden Seitenketten in die Polymerstruktur eingebracht. Die Kombination dieser Dielektrika mit chemisch angepassten Halbleitern mit vergleichbaren Seitenkettenfunktionalitäten soll dazu führen, dass die beiden Komponenten durch die Seitenketten verstärkt miteinander wechselwirken. Monomersynthesen sowie anschließende Copolymerisationen waren in hohen Ausbeuten und ausreichenden Molmassen bezüglich der Copolymere erfolgreich. Die strahleninduzierte Vernetzung konnte durch systematische Untersuchungen optimiert und die thermische Vernetzung bei moderaten Temperaturen nachgewiesen werden. Die Vernetzbarkeit von Copolymeren mit selbstorganisierenden Seitenketten erwies sich als gehindert. Hierfür wurde ein Vorschlag zur Erhöhung der Flexibilität der Vernetzerseitenkette unterbreitet. Für die Copolymere P(MMA/BPMA) und P(MMA/PgMA) konnten die Durchbruchfeldstärken in Folge der Vernetzung von < 0.3 MV/cm für PMMA auf bis zu mehr als 5 MV/cm gesteigert werden. BaTiO3-Nanopartikel konnten durch geeignete Methoden erfolgreich synthetisiert werden. Durch Variation der Reaktionsbedingungen war eine gezielte Steuerung der Primärpartikelgröße möglich. So wurden Partikel der Größe < 10 nm, 26 nm und 55 nm realisiert. Die Dispersion der Partikel in organischen Lösungsmitteln sowie in der Polymermatrix war stark abhängig von der Größe der Primärartikel, der Oberflächenmodifikation sowie der Neigung zur Agglomeration. Modifizierte Partikel mit einem Durchmesser < 10 nm konnten sehr gut in Lösungsmitteln wie auch in der Polymermatrix dispergiert werden (Abbildung 2). Eine Steigerung der relativen Permittivität der Nanokomposite blieb jedoch aufgrund der zu geringen Größe der Primärpartikel aus. Darüber hinaus wurden deutlich schlechtere Durchbruchfeldstärken beobachtet. Copolymere mit der Fähigkeit zur Selbstorganisation sollten durch zwei Konzepte realisiert werden. Im ersten System führte die Polymerisation von x-[4-(4´-Cyanophenyl)phenoxy]alkylmethacrylaten mit Spacerlängen von x = 6 und x = 8 nur in Homopolymeren zu ausgeprägter Selbstorganisation. Copolymere mit 50 mol% waren weitgehend isotrop und wiesen zudem ungenügende dielektrische Eigenschaften auf. Das zweite System basiert auf semifluorierten Methacrylat-Copolymeren mit H10F10-Seitenketten (10 CH2- und 10 CF2-Gruppen). Diese zeigten schon ab einem Gehalt von circa 35 mol% gute Selbstorganisation und bildeten ein geordnetes alternierendes Schichtsystem aus Haupt- und Seitenketten im Bulk und in dünnen Filmen. Die dielektrischen Eigenschaften können mit denen bekannter fluorierter Polymerdielektrika wie CYTOP konkurrieren. Damit stehen die semifluorierten Copolymere zukunftsorientiert zur Kombination mit Halbleitern, welche die gleichen Seitenkettenfunktionalitäten tragen, bereit, um so durch starke Interaktionen zwischen Dielektrikum und Halbleiter die Grenzfläche zu optimieren. Mit thermisch vernetztem P(MMA/PgMA) konnten OFETs mit den Halbleitern Pentacen bzw. C60 erfolgreich hergestellt und vermessen werden. Beide Transistoren liefern gute und mit Literaturwerten vergleichbare Kenngrößen. Die Ladungsträgermobilitäten und Ion/Ioff-Verhältnisse betragen 0.3 cm²/Vs und 6.0x10^5 im Pentacen-basierten Transistor beziehungsweise 1.3 cm²/Vs und 4.4x10^5 im OFET mit dem Halbleiter C60. Damit konnte in dieser Arbeit die Steigerung der Durchbruchfeldstärke durch geeignete Vernetzung der Copolymere realisiert werden. Die thermische Vernetzung fand bei deutlich geringeren Temperaturen als zahlreiche in der Literatur beschriebene Reaktionen statt. Die Synthese und Modifizierung von BaTiO3-Nanopartikeln und auch die Bildung entsprechender PMMA-BaTiO3-Nanokomposite war erfolgreich, führte jedoch nicht wie erwartet zu einer Steigerung der relativen Permittivität der Dielektrika-Schichten. Vernetzbare und selbstorganisierende semifluorierte Methacrylat-Copolymere konnten polymerisiert und charakterisiert werden und stehen als innovative dielektrische Materialien für Untersuchungen in OFETs zur Verfügung. Das Copolymer P(MMA/PgMA) wurde zielführend in organischen Feldeffekttransistoren eingesetzt und führte zu guten elektrischen Eigenschaften der Bauteile.

The present PhD thesis deals with the synthesis and characterization of functionalized ferrocenes with up to four aldehyde and vinyl groups and their usage as monomers to produce novel ferrocene-based oligomers with conjugated backbones via ADMET (acyclic diene metathesis) and HWE (Horner-Wadsworth-Emmons) reaction protocols. In addition, ferrocene-containing polymers (linear, cross-linked and co-polymers) with aliphatic backbones generated by anionic bulk and solution polymerization routes, and their electrochemistry behaviors were studied. The main aspects of this work lies in the enhancement of the electrical properties of the ferrocene-based materials (oligomers or polymers) by varying the polymer backbone, providing multi-functionalities for cross-linking and co-polymerization processes and thereby increasing the molecular weight of the products, furthermore, the application as electro-active materials, especially for the charge storage purposes is discussed. High monomer consumption, relatively high molar mass as well as longer chains were achieved by bulk protocol. Electrochemical measurements (CV) reveals that formyl-ferrocenes bearing more than two formyl functionalities are very electron poor materials and easily decomposes upon oxidation. Reducing the measurement temperature and the usage of [NnBu4][B(C6F5)4] as electrolyte allowed for reliable behavior. A linear correlation between the redox potential and the number of the formyl functionalities was found. Multicyclic measurements showed that ferrocenyl / ferrocenium redox couples in the polymeric materials are stable at least up to 100 cycles. The spectro-electrochemical studies show that the conjugated materials (oligomers) have electron transfer interactions (IVCT) through the chains, while the aliphatic backbone between the ferrocenyl units (poly vinylferrocene materials) hindered the metal-metal coupling along the chain and only a ligand-to-metal charge transfer excitation could be observed. / Die vorliegende Doktorarbeit beschäftigt sich mit Synthese und Charakterisierung von funktionalisierten Ferrocenen mit bis zu vier Aldehyd- und Vinylgruppen und ihrer Verwendung als Monomere für neuartige ferrocenbasierte Oligomere mit konjugiertem Rückgrat unter ADMET (acyclic diene metathesis) und HWE- (Horner-Wadsworth-Emmons) Reaktionsbedingungen. Zusätzlich wurden ferrocenhaltige Polymere mit einem aliphatischen Rückgrat durch Polymerisation mit und ohne Lösemittel hergestellt und ihr elektrochemisches Verhalten untersucht. Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt in der Optimierung der elektrochemischen Eigenschaften der ferrocenbasierten Materialien (Oligomere oder Polymere) durch Variation des Polymerrückgrats, welche zahlreiche funktionelle Gruppen für die vernetzte Polymerisation und die Co-Polymerisation liefert. Durch diesen Prozess wird das molekulare Gewicht erhöht. Zusätzlich wird die Verwendung als elektroaktive Materialien insbesondere für die Energiespeichertechnik diskutiert. Durch lösungsmittelfreie Reaktionsbedingungen wurden ein hoher Monomerumsatz, relativ hohe molare Massen und zugleich längere Polymerketten erzielt. Elektrochemische Messungen (CV) zeigten, dass Ferrocenmoleküle mit mehr als zwei Formylgruppen die Elektronendichte an der Ferrocenyleinheit verringern und bei Oxidation leicht zersetzt werden. Erniedrigung der Messtemperatur und die Verwendung des nur schwach koordinierenden Leitsalzes [NnBu4][B(C6F5)4] führten zu aussagekräftigen Ergebnissen. Weiterhin konnte ein linearer Zusammenhang zwischen dem Redoxpotential und der Anzahl der Formyleinheiten aufgezeigt werden. Mutlizyklische Messungen bestätigten, dass das Ferrocen / Ferrocenium-Redoxpaar mindestens 100 Zyklen stabil ist. Mittels spektroelectrochemisches Messungen konnte gezeigt werden, dass konjungierte (oligomere) Verbindungen eine elektronische Wechselwirkung (IVCT) aufweisen, während aliphatische Rückgrade eine Wechselwirkung zwischen Ferrocen / Ferrocenium (polyvinylferrocenbasierte Materialien) verhindern und nur ein LMCT Übergang (Ligand zu Metall Charge-Transfer) beobachtet werden kann.

Mechanochromic polymers respond to external force by changing their color. This can be achieved by the incorporation of a molecular switch such as spiropyran (SP) into polymers. SPs can be isomerized by mechanical force from their colorless form into colored merocyanines. Main chain copolymerization of spiropyrans allows investigation of their mechanochromic behavior and potential use as force sensors. So far, several covalent polymer matrices have been used to investigate the mechanochromic response of SPs, among them poly(ε caprolactone) (PCL). Less investigated is how the mechanochromic response can be fine-tuned by substituent effects. First, PCL with differently substituted spiropyrans at the chain’s midpoint were used in order to investigate the effect of different substituents and their regiochemistry on the isomerization behavior of SPs under mechanical stress. A low activation barrier was observed for NO2 substitution of “ortho”-spiropyrans compared to no substitution (R = H). In order to investigate phenyl-substituted “para,para” spiropyrans, a newly developed kinked polyarylene was employed as covalent matrix material. This new polyarylene (PmmpP) has a meta,meta,para connection in its backbone and exhibits excellent mechanical properties. Its high strength allows the isomerization of this molecular switch with a large activation barrier. The phenyl-substituted “para,para” spiropyran showed transient mechanochromism and was switched 25 times in force-and-release cycles. The synthesis of PmmpP was carried out by a Suzuki polycondensation in three steps from commercial starting materials. To further capitalize on the simplicity and properties of PmmpP, a two step synthesis of a semifluorinated kinked polyarylene was demonstrated by direct arylation polycondensation with tetrafluorobenzene (F4). This partially fluorinated PmmpF4 was synthesized with a variety of side-chains. Resulting polymers exhibited a large range of glass transition temperatures, allowing for the production of tailor-made smart materials.

Die Modifizierung von Carbon Black Partikeln und multi-walled Carbon Nanotubes mit Poly(vinylformamid-co-vinylamin) wurde in Abhängigkeit vom pH-Wert untersucht, um primäre Aminogruppen auf die Oberfläche der Kohlenstoffspezies einzuführen. Mit einer anschließenden Pfropfreaktion der Aminogruppen tragenden Nanotubes mit Maleinsäureanhydrid-Copolymeren sind eine Vereinzelung und ein Stabilisieren der der Carbon Nanotubes möglich. Durch eine Auswahl an Maleinsäureanhydrid-Copolymeren war nach einer Funktionalisierung der mit PVFA-co-PVAm beschichteten Carbon Nanotubes die Änderung der Oberflächeneigenschatften von hydrophil bis hin zu ultrahydrophob möglich. Die Charakterisierung der Partikel und Nanotubes erfolgte mit Hilfe der Elementaranalyse, BET-Untersuchungen, XPS, Kontaktwinkelmessungen, TGA-Untersuchungen, elektrokinetischer Messungen und REM-Aufnahmen.

During past years, organic-based electronic devices revealed high promise to supplement the ubiquitous silicon-based electronic devices and enable new fields of applications. At the center of this development is the considerable progress regarding π-conjugated polymer semiconductors (PSCs): Due to their processability from solution, light-weight, as well as low-cost, PSCs are now evolving towards production-scale of new technologies, e.g., in organic solar cells (OSCs), organic field-effect transistors (OFETs), and organic light emitting diodes (OLEDs). Especially OFETs are of fundamental importance, as they constitute the switching units in all logic circuits and display technologies. However, the future world is expected to be full with smart electronics and communication devices integrated in clothes, tools and even interacting with the human body, e.g., as on-skin wearable sensors. For this the electrically-active material, just as a human tissue, requires to combine several properties in addition to being charge conducting: They need to show (i) mechanical softness, (ii) capacity to repair, (iii) multimodal sensitivity, as well as (iv) biodegradability. Here, PSCs still face challenges as they are brittle and break upon applying a mechanical stress. When trying to address this issue, the existing knowledge on mechanical properties of well-established polymeric plastics, e.g., polystyrene, cannot be directly applied for several reasons, e.g., (i) the bulkiness of monomers (including long side-chains), (ii) the rigid π-conjugated backbone, (iii) the low degree of polymerization, (iv) the small quantities in which PSCs are available, etc. Moreover, these kinds of materials should not only be mechanically compliant and stretchable, but furthermore retain their charge mobility upon stretching, and withstand numerous of mechanical stretching cycles. Considering this complex problem, researchers have been developing and investigating several approaches to combine good electrical properties and mechanical compliance within one material. These approaches include (i) stress-accommodating engineering, (ii) blending of PSCs into elastic matrix, as well as (iii) molecular engineering approach. The latter seeks to interlink mechanical and electrical properties on the molecular level, i.e., synthesize polymers that are charge conducting and stretchable. Different strategies were tested, from the modification of side chains, to the introduction of conjugation breakings spacers into the backbone. Selected works sought to incorporate stretchability and conductivity by utilizing block copolymers, i.e., covalently linking a conjugated and a non-conjugated polymer chain, resulting in a phase separation of both constituents and preserving their respective properties. The ultimate goal of this work is to achieve an intrinsically stretchable and electrically high-performing PSC via the block copolymer approach. This is done by connecting organosilicone, namely the polydimethylsiloxane (PDMS) elastomer – possessing outstanding mechanical properties, as well as good environmental and air stability – with a conjugated diketopyrrolopyrrole (DPP)-based donor-acceptor copolymer. The final obtained structure of this polymer is a tri-block copolymer (TBC) consisting of an inner DPP-based polymer block and two outer soft PDMS polymer blocks. The content of PDMS block can be controlled and be very high (up to 67 wt%), and easy processing, e.g., via shear coating, is possible. Relatively high charge carrier mobilities – in the same range as the reference DPP-based copolymer (i.e., without outer PDMS blocks) – are retained, and the block copolymers withstands numerous stretching cycles (up to 1500 cycles) without losing electrical functionality. Finally, one of the block copolymers was successfully incorporated into a biosensor for COVID-19 antibodies and antigens detection. Overall, the findings of this work show that the block copolymer is a highly versatile approach to obtain functional and stretchable semiconductors with high charge carrier mobilities. Block copolymers consisting of a high-performing donor-acceptor PSC and a biocompatible elastomer could contribute towards one of the long-term goals of organic electronics – the realization of mechanically compliant materials for applications in stretchable electronics (e.g., wearable sensors, electronic skin, etc.).

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The wetting behavior of water on methacrylate copolymer films was studied on anodically oxidized and micro-roughened aluminium surfaces and also on smooth model surfaces. The copolymerization of tert-butyl methacrylate with a methacrylate containing a fluoroorganic side chain led to a considerable decrease of the surface free energy, but not to a superhydrophobic behavior of polymer-coated, micro-roughened aluminium surfaces. However, copolymers containing both hydrophobic and hydrophilic sequences are able to form superhydrophobic films. X-ray photoelectron spectroscopy showed that an enrichment of the interface between the solid phase and the air by fluorine-containing polymer components was the reason for the strong decrease of the surface free energy. The hydrophilic segments of the copolymers improved the ability to wet the highly polar aluminium surface and to form films of higher density.

Im Rahmen dieser Arbeit wird ein physikalisches Modell für weichelastische EVA-Schaumstoffe entwickelt, das das mechanische Verformungsverhalten (Spannungs-Verformungs-Kurve) bei der Interaktion zwischen Sportler und Sportgerät am Beispiel eines Laufschuhs anwendungsgerecht – d.h. bei hoher Verformung und Belastungsgeschwindigkeit – kennzeichnet. Im Stand der Technik werden als Einflussfaktoren auf das mechanische Verformungsverhalten von Weichschäumen die Parameter Schaumdichte, Zellgröße bzw. Zelldurchmesser, Schaumhärte und Verformungsgeschwindigkeit ermittelt. Diese werden für die vorliegenden vier Versuchsmaterialien analysiert, wobei die letzten zwei Parameter im Modell Berücksichtigung finden. Das Modell setzt sich aus einem Matrix- und einem Gasphasenanteil zusammen. Der Matrixphasenanteil wird experimentell bei der jeweiligen Verformungsgeschwindigkeit bestimmt, wohingegen der Gasphasenanteil der in den Zellen komprimierten Luft auf einem physikalischen Zusammenhang beruht und anhand der gemessenen Schaumhärte und des Atmosphärendrucks bei der jeweiligen Verformung berechnet wird. Die Voraussetzungen für die Verwendung des Modells, zu denen inkompressible Matrixphase, Geschlossenzelligkeit und keine Querausdehnung des Schaums zählen, werden vorab umfangreich geprüft. Zusammenfassend lässt sich aussagen, dass das gewählte Modell eine gute Übereinstimmung mit den experimentell bestimmten Ergebnissen erzielt. Dies wird anhand der Mittelwertes der Differenz von experimentell ermittelten zu modellierten Daten bestimmt, für den ein Wert von 7 % berechnet wird. / The purpose of this doctoral thesis is developing a physical model for flexible foam materials (e.g. ethylene/vinyl acetate foam) characterizing the mechanical deformation behavior (stress-strain-curve) at the interaction between athlete and sports equipment (e.g. running footwear) during high deformation and high loading rate. Previous studies described various parameters influencing the mechanical deformation behavior of flexible foams: foam density, cell size / cell diameter, foam hardness and loading rate. These parameters are being analyzed for the four present foams whereof the last two parameters were considered in the model. The model consists of a matrix phase measured experimentally at required loading rate multiplied with a correction factor and a gas phase of the air compressed in the foam cells which is calculated by atmospheric pressure and foam hardness. The requirements (incompressible matrix phase, closed cells and zero Poisson ratio) for using the model are verified first of all. In conclusion, the developed model presents a good accordance with the experimental data calculated by a mean difference between experimental and modeled data of 7 %.

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The demand for multifunctional nanocontainers possessing both recognition ability and responsive nature is increasing greatly because of their high potential in various biomedical applications. The engineering of such smart nanovesicles is useful to enhance the efficiency of many therapeutic and diagnostic tools that have the applicability in targeted drug delivery systems as well as designing sensing devices or conducting selective reactions as nanoreactors in the scope of nanobiotechnology. For this purpose, this study demonstrates the formation of multifunctional and stimuli-responsive polymersomes comprising various abilities including pH and light sensitivity as well as many reactive groups with sufficient accessibility to be used as smart and recognitive nanocontainers. The fabrication included several steps starting from the synthesis of azide and adamantane terminated block copolymers, which were then self-assembled to prepare the polymersomes with the corresponding functional groups for the subsequent post-conjugations at the vesicle periphery. The accessible and sufficiently reactive groups were quantitatively proven when UV and IR cleavable NVOC protected amino groups as well as β-cyclodextrin molecules were conjugated to the pre-formed polymersomes through click chemistry and strong host-guest complexations. The gained light responsivity with the aid of successful NVOC attachment enabled further selective photochemical reactions triggered either by UV or NIR light leading to liberated amine groups on the polymersome surface. Therein, these released amino groups were further conjugated with a model fluorescent compound as mimicking the attachment of biorecognition elements to see the direct picture of the applicability. To realize this concept in a more localized and selective way as well as to avoid the possible side effects of UV light, the NIR-light induced photochemical reactions and further dye coupling were performed when polymersomes were immobilized onto solid substrates. This fixation was achieved by adapting the host-guest chemistry into this part and conjugating the adamantane decorated polymersomes onto β-cyclodextrin coated substrates. Several investigations including adhesion behavior, pH sensitivity and mechanical properties of the established multifunctional polymersomes under liquid phase have been performed. It has been found that the polymersome shape is highly dependent on the attractive forces of the substrate and needs to be optimized to avoid the flattening of the vesicles. For these optimization steps, different conditions were investigated including the decrease of cyclodextrin amount and additional surface passivation with PEG molecules on the solid substrates. Besides, the calculated Young’s and bending modulus of the polymersome membrane from AFM measurements showed a robust but still flexible “breathable” membrane which is an important criterion for the applicability of these smart and stable vesicles. In addition, the hosting ability as well as diffusion limits and sufficient membrane permeability of the polymersomes were observed by encapsulating gold nanoparticles as a smart cargo and doxorubicin molecules as an anticancer drug. In conclusion, the established multifunctional polymersomes are highly versatile and thus present new opportunities in the design of targeted and selective recognition systems which is highly interesting for various applications including development of microsystem devices, design of chemo/biosensors, and also for conducting enhanced, combined therapy in the field of drug delivery.