Organic semiconductors combine the benefits of organic materials, i.e., low-cost production, mechanical flexibility, lightweight, and robustness, with the fundamental semiconductor properties light absorption, emission, and electrical conductivity. This class of material has several advantages over conventional inorganic semiconductors that have led, for instance, to the commercialization of organic light-emitting diodes which can nowadays be found in the displays of TVs and smartphones. Moreover, organic semiconductors will possibly lead to new electronic applications which rely on the unique mechanical and electrical properties of these materials. In order to push the development and the success of organic semiconductors forward, it is essential to understand the fundamental processes in these materials. This thesis concentrates on understanding how the charge transport in thiophene-based semiconductor layers depends on the layer morphology and how the charge transport properties can be intentionally modified by doping these layers with a strong electron acceptor. By means of optical spectroscopy, the layer morphologies of poly(3-hexylthiophene), P3HT, P3HT-fullerene bulk heterojunction blends, and oligomeric polyquaterthiophene, oligo-PQT-12, are studied as a function of temperature, molecular weight, and processing conditions. The analyses rely on the decomposition of the absorption contributions from the ordered and the disordered parts of the layers. The ordered-phase spectra are analyzed using Spano’s model. It is figured out that the fraction of aggregated chains and the interconnectivity of these domains is fundamental to a high charge carrier mobility. In P3HT layers, such structures can be grown with high-molecular weight, long P3HT chains. Low and medium molecular weight P3HT layers do also contain a significant amount of chain aggregates with high intragrain mobility; however, intergranular connectivity and, therefore, efficient macroscopic charge transport are absent. In P3HT-fullerene blend layers, a highly crystalline morphology that favors the hole transport and the solar cell efficiency can be induced by annealing procedures and the choice of a high-boiling point processing solvent. Based on scanning near-field and polarization optical microscopy, the morphology of oligo-PQT-12 layers is found to be highly crystalline which explains the rather high field-effect mobility in this material as compared to low molecular weight polythiophene fractions. On the other hand, crystalline dislocations and grain boundaries are identified which clearly limit the charge carrier mobility in oligo-PQT-12 layers. The charge transport properties of organic semiconductors can be widely tuned by molecular doping. Indeed, molecular doping is a key to highly efficient organic light-emitting diodes and solar cells. Despite this vital role, it is still not understood how mobile charge carriers are induced into the bulk semiconductor upon the doping process. This thesis contains a detailed study of the doping mechanism and the electrical properties of P3HT layers which have been p-doped by the strong molecular acceptor tetrafluorotetracyanoquinodimethane, F4TCNQ. The density of doping-induced mobile holes, their mobility, and the electrical conductivity are characterized in a broad range of acceptor concentrations. A long-standing debate on the nature of the charge transfer between P3HT and F4TCNQ is resolved by showing that almost every F4TCNQ acceptor undergoes a full-electron charge transfer with a P3HT site. However, only 5% of these charge transfer pairs can dissociate and induce a mobile hole into P3HT which contributes electrical conduction. Moreover, it is shown that the left-behind F4TCNQ ions broaden the density-of-states distribution for the doping-induced mobile holes, which is due to the longrange Coulomb attraction in the low-permittivity organic semiconductors. / Organische Halbleiter kombinieren die molekulare Vielfalt und Anpassbarkeit, die mechanische Flexibilität und die preisgünstige Herstellung und Verarbeitung von Kunststoffen mit fundamentalen Halbleitereigenschaften wie Lichtabsorption und -emission und elektrischer Leitfähigkeit. Unlängst finden organische Leuchtdioden Anwendung in den Displays von TV-Geräten und Smartphones. Für die weitere Entwicklung und den Erfolg organischer Halbleiter ist das Verständnis derer physikalischer Grundlagen unabdingbar. Ein für viele Bauteile fundamentaler Prozess ist der Transport von Ladungsträgern in der organischen Schicht. Die Ladungstransporteigenschaften werden maßgeblich durch die Struktur dieser Schicht bestimmt, z.B. durch den Grad der molekularen Ordnung, die molekulare Verbindung von kristallinen Domänen und durch Defekte der molekularen Packung. Mittels optischer Spektroskopie werden in dieser Arbeit die temperatur-, molekulargewichts- und lösemittelabhängigen Struktureigenschaften poly- und oligothiophenbasierter Schichten untersucht. Dabei basiert die Analyse der Absorptionsspektren auf der Zerlegung in die spezifischen Anteile geordneten und ungeordneten Materials. Es wird gezeigt, dass sich hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten dann erreichen lassen, wenn der Anteil der geordneten Bereiche und deren molekulare Verbindung in den Schichten möglichst hoch und die energetische Unordnung in diesen Bereichen möglichst klein ist. Der Ladungstransport in organischen Halbleitern kann außerdem gezielt beeinflusst werden, indem die Ladungsträgerdichte und die elektrische Leitfähigkeit durch molekulares Dotieren, d.h. durch das Einbringen von Elektronenakzeptoren oder -donatoren, eingestellt werden. Obwohl der Einsatz dotierter Schichten essentiell für effiziente Leuchtdioden und Solarzellen ist, ist der Mechanismus, der zur Erzeugung freier Ladungsträger im organischen Halbleiter führt, derzeit unverstanden. In dieser Arbeit wird der Ladungstransfer zwischen dem prototypischen Elektronendonator P3HT und dem Akzeptor F4TCNQ untersucht. Es wird gezeigt, dass, entgegen verbreiteter Vorstellungen, fast alle F4TCNQ-Akzeptoren einen ganzzahligen Ladungstransfer mit P3HT eingehen, aber nur 5% dieser Paare dissoziieren und einen beweglichen Ladungsträger erzeugen, der zur elektrischen Leitfähigkeit beiträgt. Weiterhin wird gezeigt, dass die zurückgelassenen F4TCNQ-Akzeptorionen Fallenzustände für die beweglichen Ladungsträger darstellen und so die Ladungsträgerbeweglichkeit in P3HT bei schwacher Dotierung absinkt. Die elektrischen Kenngrößen Ladungsträgerkonzentration, Beweglichkeit und Leitfähigkeit von F4TCNQ-dotierten P3HT-Schichten werden in dieser Arbeit erstmals in weiten Bereichen verschiedener Akzeptorkonzentrationen untersucht.

This work deals with the sensor application of polythiophenes, which belong to the group of the conducting polymers. The first part focuses on sensor application of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) for ion detection in aqueous electrolytes. The advanced electrochemical quartz crystal microbalance was used for investigating the electrochemical polymerisation and the redox cycling behaviour of the polymer films deposited on the liquid facing electrode of the quartz. This method is based on impedance analysis of a piezoelectric quartz crystal. The deposited polymer mass and surface roughness parameters were estimated from the electrical impedance shift of the quartz during the polymerisation using a new calculation procedure for rough and viscoelastic films. The PEDOT data were compared with results from the electrochemical polymerisation of 2,2?-bithiophene to demonstrate the influence of the substituent on morphology and electrochemical properties in organic electrolytes. With regard to electrogravimetric sensor applications the ion exchange of the polymer in aqueous electrolytes (LiClO4, NaClO4, NaNO3, and sodium toluenesulfonate) during redox cycling was investigated. From the mass/charge balance the apparent exchanged molar mass and the absolute exchanged mass of ions were calculated. The mass balance indicated a transfer of anions and solvent during oxidation. No remarkable cation exchange in the reduction scan was observed. For all investigated electrolytes the calculated exchanged molar mass can be explained with a reversible replacement of solvent by anions during oxidation. The molar solvent/anion ratio was roughly proportional to the sizes of the species. The second part of the work describes investigations on gas sensing properties of polythiophene films prepared by a new preparation method. This two-step procedure is based on electroless polymerisation of conducting polymers. In the first step the substrate is coated with an adhesion promoter and in a second step the chemical surface polymerisation of the monomer is performed. This deposition method was combined with new patterning techniques. The basis of this process is the patterned application of the adhesion promoter which was realised either by a photoresist lacquer mask or by micro contact printing of the adhesion promoter solution. These methods provide patterning down to submicrometer scale. The sensing properties of the polythiophene films were demonstrated with chemiresistors for the redox active gases NO2 and NH3. The reaction kinetics were investigated depending on humidity and temperature. / Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Polythiophenen, einer Gruppe der intrinsisch leitfähigen Polymere, für die Anwendung als sensitive Filme in chemischen Sensoren. Ziel war es dabei, ausgewählte Aspekte des Sensoreinsatzes dieser Polymere zu beleuchten, um Wege zu einer verbesserten Sensorcharakteristik solcher Systeme aufzuzeigen. Der erste Teil der Ergebnisse konzentriert sich auf den Einsatz von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) in Sensoren für die Bestimmung von Ionenkonzentrationen in wässrigen Medien. Die elektrochemische Polymerisation auf Schwingquarzen und der potentialinduzierte Ionenaustausch an solchen Polymerfilmen wurden mit Hilfe der elektrochemischen Quarzmikrowaage charakterisiert. Diese beruht auf der Impedanzanalyse von Schwingquarzen in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz, was neben der Erfassung der Änderung der Resonanzfrequenz der Quarze auch die Untersuchung des Dämpfungsverhaltens und somit eine halbquantitative Analyse der mechanischen Eigenschaften des Polymerfilmes ermöglicht. Aus den Daten Impedanzanalyse während der Polymerisation wurden mit einem neuen Berechnungsmodells, das viskoelastische und rauhigkeitsinduzierte Einflüsse berücksichtigt, die Polymermasse und vertikale und laterale Rauhigkeitsparameter bestimmt. Der Einfluss des Substituenten auf die Morphologie und das elektrochemische Verhalten in organischen Elektrolyten ist durch Vergleichsuntersuchungen an Poly(2,2?-bithiophen) illustriert. Die Sensormessungen erfolgten in wässrigen Modellelektrolyten mit unterschiedlich großen Anionen (LiClO4, NaClO4, NaNO3, Natriumtoluolsulfonat). Für die potentialabhängige Ionenaustauschreaktion konnte ein Einbau von Anionen bei der Oxidation des Polymers, der mit einem Ausstoß von Lösungsmittel verbunden war, nachgewiesen werden. Bei Reduktion des Polymers war der umgekehrte Vorgang zu beobachten. Kationen waren nicht nachweislich an den Austauschprozessen beteiligt. Als Sensorsignal wurde aus der bei Einbau der Ionen geflossenen Ladung und der reaktionsbedingten Masseänderung die ausgetauschte molare Masse und die inkorporierte Ionenmenge bestimmt. Die ausgetauschte molare Masse ergab für die unterschiedlichen Ionenspezies typische Werte, was eine Identifizierung der jeweiligen Analyten erlaubt. Die berechnete Analytmenge belegte eine erhöhte Empfindlichkeit für das in der Polymerisation verwendete Anion (Perchlorat) und eine geringe Empfindlichkeit für große Anionen (Toluolsulfonat) Für dünne, weniger poröse Filme war das Austauschverhältnis von Anion und Lösungsmittel annähernd proportional zu den Molekülgrößen der beteiligten Spezies. Ein zweiter Schwerpunkt der Arbeit war die Weiterentwicklung eines Verfahrens zur oxidativ?chemischen Abscheidung von Polythiophenfilmen unter Nutzung haftvermittelnder Substanzen. Dafür wurde die Filmqualität experimentell optimiert und Methoden zur strukturierten Abscheidung entwickelt. Zur Strukturierung der Polymerfilme wurden Methoden zur lokalen Aufbringung des Haftvermittlers auf Basis einer Maskierung des Substrates mit photostrukturierbaren Lackmasken bzw. auf Basis des Mikrokontaktdruckes der Haftvermittlerlösung entwickelt. Mit der Maskentechnik konnten Strukturen im Submikrometerbereich, mit dem Mikrokontaktdruck im Mikrometerbereich, erzielt werden. Der Nachweis der Sensitivität der chemisch polymerisierten Polythiophenfilme wurde für redoxaktive Gase mit Hilfe von Leitfähigkeitssensoren erbracht, und die Reaktionskinetik in Abhängigkeit von Feuchte und Temperatur untersucht.

DNA nanotechnology has developed a versatile set of methods to utilise DNA self-assembly for the bottom-up construction of arbitrary two- and three-dimensional DNA objects in the nanometre size range, and to functionalise the structures with unprecedented site-specificity with nanoscale objects such as metallic and semiconductor nanoparticles, proteins, fluorescent dyes, or synthetic polymers. The advances in structure assembly have resulted in the application of functional DNA-based nanostructures in a gamut of fields from nanoelectronic circuitry, nanophotonics, sensing, drug delivery, to the use as host structure or calibration standard for different types of microscopy. However, the analytical means for characterising DNA-based nanostructures drag behind these advances. Open questions remain, amongst others in quantitative single-structure evaluation. While techniques such as atomic force microscopy (AFM) or transmission electron microscopy (TEM) offer feature resolution in the range of few nanometres, the number of evaluated structures is often limited by the time-consuming manual data analysis. This thesis has introduced two new approaches to quantitative structure evaluation using AFM and super-resolution fluorescence microscopy (SRM). To obtain quantitative data, semi-automated computational image analysis routines were tailored in both approaches. AFM was used to quantify the attachment yield and placement accuracy of poly(3-tri(ethylene glycol)thiophene)-b-oligodeoxynucleotide diblock copolymers on a rectangular DNA origami. This work has also introduced the first hybrid of DNA origami and a conjugated polymer that uses a highly defined polythiophene derivative synthesised via state-of-the-art Kumada catalyst-transfer polycondensation. Among the AFM-based studies on polymer-origami-hybrids, this was the first to attempt near-single molecule resolution, and the first to introduce computational image analysis. Using the FindFoci tool of the software ImageJ revealed attachment yields per handle between 26 - 33%, and determined a single block copolymer position with a precision of 80 - 90%. The analysis has pointed out parameters that potentially influence the attachment yield such as the handle density and already attached objects. Furthermore, it has suggested interactions between the attached polymer molecules. The multicolour SRM approach used the principles of single-molecule high-resolution co-localisation (SHREC) to evaluate the structural integrity and the deposition side of the DNA origami frame “tPad” based on target distances and angles in a chiral fluorophore pattern the tPads were labelled with. The computatinal routine that was developed for image analysis utilised clustering to identify the patterns in a sample’s signals and to determine their characteristic distances and angles for hundreds of tPads simultaneously. The method excluded noise robustly, and depicted the moderate proportion of intact tPads in the samples correctly. With a registration error in the range of 10 -15 nm after mapping of the colour channels, the precision of a single distance measurements on the origami appeared in the range of 20 - 30 nm. By broadening the scope of computational AFM image analysis and taking on a new SRM approach for structure analysis, this work has presented working approaches towards new tools for quantitative analysis in DNA nanotechnology. Furthermore, the work has presented a new approach to constructing hybrid structures from DNA origami and conjugated polymers, which will open up new possibilities in the construction of nanoelectronic and nanophotonic structures.

This work deals with the sensor application of polythiophenes, which belong to the group of the conducting polymers. The first part focuses on sensor application of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDOT) for ion detection in aqueous electrolytes. The advanced electrochemical quartz crystal microbalance was used for investigating the electrochemical polymerisation and the redox cycling behaviour of the polymer films deposited on the liquid facing electrode of the quartz. This method is based on impedance analysis of a piezoelectric quartz crystal. The deposited polymer mass and surface roughness parameters were estimated from the electrical impedance shift of the quartz during the polymerisation using a new calculation procedure for rough and viscoelastic films. The PEDOT data were compared with results from the electrochemical polymerisation of 2,2?-bithiophene to demonstrate the influence of the substituent on morphology and electrochemical properties in organic electrolytes. With regard to electrogravimetric sensor applications the ion exchange of the polymer in aqueous electrolytes (LiClO4, NaClO4, NaNO3, and sodium toluenesulfonate) during redox cycling was investigated. From the mass/charge balance the apparent exchanged molar mass and the absolute exchanged mass of ions were calculated. The mass balance indicated a transfer of anions and solvent during oxidation. No remarkable cation exchange in the reduction scan was observed. For all investigated electrolytes the calculated exchanged molar mass can be explained with a reversible replacement of solvent by anions during oxidation. The molar solvent/anion ratio was roughly proportional to the sizes of the species. The second part of the work describes investigations on gas sensing properties of polythiophene films prepared by a new preparation method. This two-step procedure is based on electroless polymerisation of conducting polymers. In the first step the substrate is coated with an adhesion promoter and in a second step the chemical surface polymerisation of the monomer is performed. This deposition method was combined with new patterning techniques. The basis of this process is the patterned application of the adhesion promoter which was realised either by a photoresist lacquer mask or by micro contact printing of the adhesion promoter solution. These methods provide patterning down to submicrometer scale. The sensing properties of the polythiophene films were demonstrated with chemiresistors for the redox active gases NO2 and NH3. The reaction kinetics were investigated depending on humidity and temperature. / Die Arbeit befasst sich mit der Untersuchung von Polythiophenen, einer Gruppe der intrinsisch leitfähigen Polymere, für die Anwendung als sensitive Filme in chemischen Sensoren. Ziel war es dabei, ausgewählte Aspekte des Sensoreinsatzes dieser Polymere zu beleuchten, um Wege zu einer verbesserten Sensorcharakteristik solcher Systeme aufzuzeigen. Der erste Teil der Ergebnisse konzentriert sich auf den Einsatz von Poly(3,4-ethylendioxythiophen) in Sensoren für die Bestimmung von Ionenkonzentrationen in wässrigen Medien. Die elektrochemische Polymerisation auf Schwingquarzen und der potentialinduzierte Ionenaustausch an solchen Polymerfilmen wurden mit Hilfe der elektrochemischen Quarzmikrowaage charakterisiert. Diese beruht auf der Impedanzanalyse von Schwingquarzen in der Nähe ihrer Resonanzfrequenz, was neben der Erfassung der Änderung der Resonanzfrequenz der Quarze auch die Untersuchung des Dämpfungsverhaltens und somit eine halbquantitative Analyse der mechanischen Eigenschaften des Polymerfilmes ermöglicht. Aus den Daten Impedanzanalyse während der Polymerisation wurden mit einem neuen Berechnungsmodells, das viskoelastische und rauhigkeitsinduzierte Einflüsse berücksichtigt, die Polymermasse und vertikale und laterale Rauhigkeitsparameter bestimmt. Der Einfluss des Substituenten auf die Morphologie und das elektrochemische Verhalten in organischen Elektrolyten ist durch Vergleichsuntersuchungen an Poly(2,2?-bithiophen) illustriert. Die Sensormessungen erfolgten in wässrigen Modellelektrolyten mit unterschiedlich großen Anionen (LiClO4, NaClO4, NaNO3, Natriumtoluolsulfonat). Für die potentialabhängige Ionenaustauschreaktion konnte ein Einbau von Anionen bei der Oxidation des Polymers, der mit einem Ausstoß von Lösungsmittel verbunden war, nachgewiesen werden. Bei Reduktion des Polymers war der umgekehrte Vorgang zu beobachten. Kationen waren nicht nachweislich an den Austauschprozessen beteiligt. Als Sensorsignal wurde aus der bei Einbau der Ionen geflossenen Ladung und der reaktionsbedingten Masseänderung die ausgetauschte molare Masse und die inkorporierte Ionenmenge bestimmt. Die ausgetauschte molare Masse ergab für die unterschiedlichen Ionenspezies typische Werte, was eine Identifizierung der jeweiligen Analyten erlaubt. Die berechnete Analytmenge belegte eine erhöhte Empfindlichkeit für das in der Polymerisation verwendete Anion (Perchlorat) und eine geringe Empfindlichkeit für große Anionen (Toluolsulfonat) Für dünne, weniger poröse Filme war das Austauschverhältnis von Anion und Lösungsmittel annähernd proportional zu den Molekülgrößen der beteiligten Spezies. Ein zweiter Schwerpunkt der Arbeit war die Weiterentwicklung eines Verfahrens zur oxidativ?chemischen Abscheidung von Polythiophenfilmen unter Nutzung haftvermittelnder Substanzen. Dafür wurde die Filmqualität experimentell optimiert und Methoden zur strukturierten Abscheidung entwickelt. Zur Strukturierung der Polymerfilme wurden Methoden zur lokalen Aufbringung des Haftvermittlers auf Basis einer Maskierung des Substrates mit photostrukturierbaren Lackmasken bzw. auf Basis des Mikrokontaktdruckes der Haftvermittlerlösung entwickelt. Mit der Maskentechnik konnten Strukturen im Submikrometerbereich, mit dem Mikrokontaktdruck im Mikrometerbereich, erzielt werden. Der Nachweis der Sensitivität der chemisch polymerisierten Polythiophenfilme wurde für redoxaktive Gase mit Hilfe von Leitfähigkeitssensoren erbracht, und die Reaktionskinetik in Abhängigkeit von Feuchte und Temperatur untersucht.

Systeme aus konjugierten Molekülen und Graphenen bergen hohes Potential für Anwendungen. Die Untersuchung ihrer Wechselwirkungsmechanismen ist wichtig für die Entwicklung neuer Anwendungen und Fokus dieser Arbeit: Optische Mikroskopie, Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie werden komplementär verwendet, um die optischen und strukturellen Eigenschaften solcher Systeme zu erforschen. Insbesondere werden (i) die Permeationsbarriere-Eigenschaften von Graphen in-situ auf einem halbleitenden Polymerfilm quantifiziert. Weiterhin werden (ii) die Fluoreszenz- und (iii) Raman-Emission von konjugierten Molekülen in der Nähe von Graphen untersucht und die entsprechenden Kopplungsmechanismen diskutiert. (i) Graphene zeigen sich als effizienter Schutz des empfindlichen Polymers [Poly(3-hexylthiophen)] vor Degeneration durch Sauerstoff und Wasser aus der Umgebungsluft. Dies legt nahe, dass Graphene nicht nur als transparente Elektrode, sondern gleichzeitig als Barriereschicht in künftigen optoelektronischen Bauelementen dienen können. (ii) Es wird gezeigt, dass die bekannten optischen Eigenschaften von Graphen die Existenz stark lokalisierter Graphen-Plasmonen im Sichtbaren implizieren. Durch Verwendung von nanoskaligen Emittern [Rhodamin 6G (R6G)], welche die für effiziente Anregung von Graphen-Plasmonen im optischen Frequenzbereich notwendigen großen Wellenvektor bereitstellen, wird Graphen-Plasmonen-induzierte (GPI) Fluoreszenz-Anregungsverstärkung von nahezu 3 Größenordnungen nachgewiesen. Demnach ist Graphen für plasmonische Bauelemente im Sichtbaren interessant. (iii) Außerdem wird GPI Verstärkung des Raman-Querschnittes von R6G um 1 Größenordnung nachgewiesen. Zukünftige Entwicklung von Antennen für zusätzliche direkte Anregung von Graphen-Plasmonen aus dem Fernfeld macht Graphen vielversprechend für leistungsfähige oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie. Zusammenfassend wurden neue und anwendungsrelevante Einblicke in die analysierten Systeme gewonnen. / Systems of conjugated molecules and graphenes bear high application potential. The investigation of their interaction mechanisms is important for design of new applications and the focus of this thesis: Optical microscopy, spectroscopy and scanning force microscopy are complementarily used to explore the optical and structural properties of such systems. In particular (i) the permeation barrier properties of graphene are quantified in-situ on a semiconducting polymer film. Furthermore (ii) the fluorescence and (iii) Raman emission of conjugated molecules in proximity to graphene are investigated and the respective coupling mechanisms are discussed. (i) Graphenes are found to efficiently protect the sensitive polymer [poly(3-hexylthiophene)] from degradation by oxygen and water from the ambient atmosphere. This suggests that graphenes can not only serve as transparent electrode, but simultaneously as a barrier layer in future optoelectronic devices. (ii) It is shown that the known optical properties of graphene imply the existence of strongly localized graphene plasmons in the visible. Using nanoscale emitters [rhodamine 6G (R6G)] that provide the high wave vectors necessary to efficiently excite graphene plasmons at optical frequencies, graphene plasmon induced (GPI) fluorescence excitation enhancement by nearly 3 orders of magnitude is demonstrated. Graphene is thus interesting for plasmonic devices in the visible. (iii) In addition GPI enhancement of the Raman cross section of R6G by 1 order of magnitude is demonstrated. The future design of antennas for additional direct farfield excitation of graphene plasmons makes graphene promising for powerful surface enhanced Raman spectroscopy. In summary new and application relevant insights were gained into the studied systems.

Die Copolymerisation wurde mit dem Ziel untersucht, polymere Materialien zu synthetisieren, die die individuellen Eigenschaften der entsprechenden Homopolymere kombinieren. Die Dissertation konzentrierte sich auf die Elektrosynthese und Charakterisierung von leitfähigen Copolymerfilmen auf Basis von Pyrrol- und Thiophenderivaten. Mit einer Reihe von elektrochemischen, spektroskopischen und mikroskopischen Untersuchungsmethoden (Zyklovoltammetrie, elektrochemische Impedanz-spektroskopie, photoelektrochemische Spektroskopie, Elektrospray- Ionisations-Massenspektroskopie, Festkörper- NMR, Raman-Spektroskopie, Thermoanalyse und Rasterelektronenmikroskopie) wurde die Bildung echter Copolymere von Pyrrol mit Bithiophen und von 3-Methylthiophen mit Ethyl-3-thiophenazetat nachgewiesen. Die analytischen Ergebnisse bestätigen, dass Random- Copolymere und keine Block-Copolymere gebildet wurden. Die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der Copolymerfilme liegen zwischen denen der jeweiligen Homopolymere und sind abhängig von der Copolymerzusammensetzung. Insbesondere die Halbleiterparameter der Copolymerfilme von Pyrrol mit Bithiophen wie Flachband-Potential, Bandlücken-Energie und Ladungsträgerdichte verschieben sich von denen des reinen Polypyrrols bis zum Polybithiophen, wenn der Gehalt an Bithiophen im Copolymerfilm vergrößert wird. Diese Parameter sind einstellbar durch Variation des Monomerverhältnisses oder des Polymerisationspotentials. Außerdem konnten die strukturellen und elektronischen Eigenschaften des funktionalisierten Polymers Ethyl-3-thiophenazetat durch Copolymerisation mit 3-Methylthiophen deutlich verbessert werden. Die synthetisierten leitfähigen Copolymerfilme können in der Sensorik Anwendung finden. / The copolymerization has been studied as a new strategy to synthesize polymer materials by combining interesting properties of the respective homopolymers. In this dissertation, the work focused on the electrosynthesis and characterization of conducting copolymer films based on pyrrole and thiophene derivatives. A variety of electrochemical, spectroscopic and microscopic techniques such as cyclic voltammetry, electrochemical impedance and photoelectrochemical spectroscopy, electrospray ionization mass spectroscopy, solid state NMR and Raman spectroscopy, thermal analysis and scanning electron microscopy supported the formation of true copolymers of pyrrole with bithiophene and 3-methylthiophene with ethyl-3-thiophene acetate. The analytical results exhibited that random copolymers were produced rather than block copolymers. The electronic and structural characteristics of the copolymer films were intermediate between those of the respective homopolymers and they were dependent on the copolymer composition. In particular, the semiconducting parameters of the copolymer films of pyrrole and bithiophene such as flat band potential, band gap energy and charge carrier density shifted from those of polypyrrole to polybithiophene with increasing bithiophene content of the copolymer films. Such parameters were controlled precisely by alternating either the monomer ratio or the polymerization potential. In addition, the morphological and electronic properties of the functionalized polymers of ethyl-3-thiophene acetate were increased significantly by copolymerization with 3-methylthiophene. The obtained conducting copolymer films were able to be applied in the field of sensoric.

Ferrocenylsubstituierte Thiophene: Synthese, Charakterisierung und Polymerisation Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Naturwissenschaften Dissertation 2011, 140 Seiten Die Vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und dem Reaktionsverhalten von metallocenylhaltigen Thiophenen. Dabei wurden die erhaltenen Metallocenylthiophene mittels Eisen(III)salzen oxidativ polymerisiert und copolymerisiert. Für eine gezielte Synthese von polymeren Verbindungen wurden oligomere Modellverbindungen dargestellt und die erhaltenen Ergebnisse auf eine vielfältig Funktionalisierung in 2- und/oder 5-Position der Thiophenmonomere angewendet. Die somit erhaltenen neuen Monomere lassen verschiedene Polymerisationen und Copolymerisationen, z. B. über eine Negishi-Kreuzkupplungsreaktion zu. Die somit erhaltenen Polymere und Copolymere liegen in der neutralen Form vor und weisen eine regioselektive Kopf-Schwanz-Verknüpfung auf. Es ist damit ein verarbeitbares Polymer zugänglich, welches sowohl im oxidierten Zustand als auch im neutralen Zustand als Polymer-CNT-Hybridmaterial Leitfähig ist.

Die Copolymerisation wurde mit dem Ziel untersucht, polymere Materialien zu synthetisieren, die die individuellen Eigenschaften der entsprechenden Homopolymere kombinieren. Die Dissertation konzentrierte sich auf die Elektrosynthese und Charakterisierung von leitfähigen Copolymerfilmen auf Basis von Pyrrol- und Thiophenderivaten. Mit einer Reihe von elektrochemischen, spektroskopischen und mikroskopischen Untersuchungsmethoden (Zyklovoltammetrie, elektrochemische Impedanz-spektroskopie, photoelektrochemische Spektroskopie, Elektrospray- Ionisations-Massenspektroskopie, Festkörper- NMR, Raman-Spektroskopie, Thermoanalyse und Rasterelektronenmikroskopie) wurde die Bildung echter Copolymere von Pyrrol mit Bithiophen und von 3-Methylthiophen mit Ethyl-3-thiophenazetat nachgewiesen. Die analytischen Ergebnisse bestätigen, dass Random- Copolymere und keine Block-Copolymere gebildet wurden. Die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der Copolymerfilme liegen zwischen denen der jeweiligen Homopolymere und sind abhängig von der Copolymerzusammensetzung. Insbesondere die Halbleiterparameter der Copolymerfilme von Pyrrol mit Bithiophen wie Flachband-Potential, Bandlücken-Energie und Ladungsträgerdichte verschieben sich von denen des reinen Polypyrrols bis zum Polybithiophen, wenn der Gehalt an Bithiophen im Copolymerfilm vergrößert wird. Diese Parameter sind einstellbar durch Variation des Monomerverhältnisses oder des Polymerisationspotentials. Außerdem konnten die strukturellen und elektronischen Eigenschaften des funktionalisierten Polymers Ethyl-3-thiophenazetat durch Copolymerisation mit 3-Methylthiophen deutlich verbessert werden. Die synthetisierten leitfähigen Copolymerfilme können in der Sensorik Anwendung finden. / The copolymerization has been studied as a new strategy to synthesize polymer materials by combining interesting properties of the respective homopolymers. In this dissertation, the work focused on the electrosynthesis and characterization of conducting copolymer films based on pyrrole and thiophene derivatives. A variety of electrochemical, spectroscopic and microscopic techniques such as cyclic voltammetry, electrochemical impedance and photoelectrochemical spectroscopy, electrospray ionization mass spectroscopy, solid state NMR and Raman spectroscopy, thermal analysis and scanning electron microscopy supported the formation of true copolymers of pyrrole with bithiophene and 3-methylthiophene with ethyl-3-thiophene acetate. The analytical results exhibited that random copolymers were produced rather than block copolymers. The electronic and structural characteristics of the copolymer films were intermediate between those of the respective homopolymers and they were dependent on the copolymer composition. In particular, the semiconducting parameters of the copolymer films of pyrrole and bithiophene such as flat band potential, band gap energy and charge carrier density shifted from those of polypyrrole to polybithiophene with increasing bithiophene content of the copolymer films. Such parameters were controlled precisely by alternating either the monomer ratio or the polymerization potential. In addition, the morphological and electronic properties of the functionalized polymers of ethyl-3-thiophene acetate were increased significantly by copolymerization with 3-methylthiophene. The obtained conducting copolymer films were able to be applied in the field of sensoric.

Ferrocenylsubstituierte Thiophene: Synthese, Charakterisierung und Polymerisation Technische Universität Chemnitz, Fakultät für Naturwissenschaften Dissertation 2011, 140 Seiten Die Vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Synthese und dem Reaktionsverhalten von metallocenylhaltigen Thiophenen. Dabei wurden die erhaltenen Metallocenylthiophene mittels Eisen(III)salzen oxidativ polymerisiert und copolymerisiert. Für eine gezielte Synthese von polymeren Verbindungen wurden oligomere Modellverbindungen dargestellt und die erhaltenen Ergebnisse auf eine vielfältig Funktionalisierung in 2- und/oder 5-Position der Thiophenmonomere angewendet. Die somit erhaltenen neuen Monomere lassen verschiedene Polymerisationen und Copolymerisationen, z. B. über eine Negishi-Kreuzkupplungsreaktion zu. Die somit erhaltenen Polymere und Copolymere liegen in der neutralen Form vor und weisen eine regioselektive Kopf-Schwanz-Verknüpfung auf. Es ist damit ein verarbeitbares Polymer zugänglich, welches sowohl im oxidierten Zustand als auch im neutralen Zustand als Polymer-CNT-Hybridmaterial Leitfähig ist.:Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungen 1.Einleitung 2.Kenntnisstand 2.1 Leitfähige Polymere 2.1.1 Leitfähigkeit in Kunststoffen 2.1.2 Polymere auf Basis von Heterocyclen 2.1.3 Poly(3-alkylthiophene) 2.1.4 Poly(3,4-ethylendioxythiopen) 2.1.5 Übergangsmetall-Polythiophen-Hybridmaterialien 2.1.5.1 Metallhaltige Polythiophene des Typ I 2.1.5.2 Metallhaltige Polythiophene Typ II 2.1.5.3 Metallhaltige Polythiophene des Typs III 3.Ergebnisse und Diskussion 3.1 Metallocenyfunktionalisierte Thiophene 3.1.1 Synthese und Charakterisierung 3-metallocenylsubstituierter Thiophene 3.1.2 Polymerisation von 3-Metallocenylthiophenen 3.1.3 Synthese und Chrakterisierung von 3-(4-(ferrocenyl)phenyl)thiophen (15) 3.1.4 Optimierung der oxidativen Polymerisation von 3-Ferrocenylthiophen (5) 3.2 Copolymerisationen von 3-Ferrocenylthiophen (5) 3.2.1 Copolymerisation von 5 mit 3-Hexylthiophen (17) 3.2.2 Copolymerisation von 5 mit 3,4-Ethylendioxythiophen (19) 3.2.3 Leitfähigkeitsuntersuchungen von Poly(3-metallocenylthiophenen) 3.3 Synthese und Charakterisierung von in 2- und / oder 5- Position substituierten 3-Ferrocenylthiophenen 3.3.1 Bromierung von 3-Ferrocenylthiophen (5) 3.3.2 Formylierung von 3-Ferrocenylthiophen (5) 3.3.2.1 Synthese von 3-Ferrocenylthiophen-2-carbaldehyd (29) 3.3.2.2 Synthese von 3-Ferrocenylthiophen-5-carbaldehyd (30) 3.3.2.3 Synthese von 2-Dimethoxymethyl-3-ferrocenylthiophen (31) 3.3.2.4 Synthese von 3-Ferrocenylthiophen-2,5-dicarbaldehyd (34) 3.3.2.5 Synthese von 5-Methyl-3-ferrocenylthiophen (35) 3.3.2.6 Synthese von 5-Methyl-3-ferrocenylthiophen-2-carbaldehyd (40) 3.3.2.7 Charakterisierung der aldehydfunktionalisierten 3-Ferrocenylthiophene 3.3.3 Hydroxymethylierung von 3-Ferrocenylthiophen (5) 3.3.3.1 Synthese von hydroxymethylierten 3-Ferrocenylthiophenen 42-44 3.3.4 Synthese von metallocenylhaltigen oligomeren Modellsystemen 3.3.4.1 Synthese von Trimeren unter Verwendung verschiedener Dibromthiophene 3.3.4.2 Synthese von 1,4-bis(2-(3-ferrocenylthiophen-2-yl)vinyl)benzen (55) 3.3.5 Charakterisierung der oligomeren Modellsysteme 50, 51 und 55 3.4 Einführung löslichkeitsvermittelnder Gruppen in 3-Ferrocenylthiophen (5) 3.4.1 Synthese von 3-(1’-Butylferrocenyl)thiophen (60) 3.4.2 Synthese von 2-Brom-4-(1’-butylferrocenyl)thiophen (62) 3.4.3 Charakterisierung der Butylferrocenylthiophene 60 und 62 3.5 Polymerisation und Copolymerisation der synthetisierten Monomere 3.5.1 Polymerisation von 2-Brom-4-ferrocenylthiophen (22) zu 64 3.5.2 Polymerisation von 3-Ferrocenyl-5-methylthiophen-2-carbaldehyd (40) zu 67. 3.5.3 Polymerisation von 3-Ferrocenylthiophen-2,5-dicarbaldehyd (34) zu 70 3.5.4 Polymerisation von 3-Ferrocenyl-5-hydroxymethylthiophen (43) zu 75 3.5.5 Polymerisation von 2-Brom-4-(1’-butylferrocenyl)thiophen (62) zu 77 3.5.6 Copolymerisation von 3-Ferrocenylthiophen-2,5-dicarbaldehyd (34) mit 52 zu 78 3.5.7 Copolymerisation von 3-Ferrocenylthiophen (5) und 2,5-Dibrom-3,4-ethylendioxythiophen (48) zu 81 3.5.8 Copolymerisation von 3-(1’-Butylferrocenyl)thiophen (60) und 2,5-Dibrom-3,4- ethylendioxythiophen (48) zu 85 3.5.9 Dotierung und Leitfähigkeitsuntersuchungen der synthetisierten Polymere 10, 64, 67, 75, 77, 78, 81 und 85 3.6 Cyclovoltammetrische Untersuchungen 3.6.1 Cyclovoltammetrische Untersuchungen ausgewählter Verbindungen 3.7 UV-Vis-spektroskopische Eigenschaften ausgewählter Verbindungen 3.8 Einbettung von Carbonanotubes (CNTs) in Polythiophen-Filme 3.8.1 Herstellung der Polymer-CNT-Hybridmaterialien und verwendete Geräte 3.8.2 Charakterisierung der Polymer-CNT-Hybridmaterialien 3.8.2.1 Optische Charakterisierung 3.8.2.2 Leitfähigkeitsmessungen 4.Experimenteller Teil 4.1 Arbeitstechniken und verwendete Geräte 4.1.1 Arbeitstechniken 4.1.2 NMR-Spektroskopie 4.1.3 Elementaranalyse 4.1.4 Schmelzpunktbestimmung 4.1.5 IR-Spektroskopie 4.1.6 UV-Vis-Spektroskopie 4.1.7 ESI-TOF-Massenspektrometrie 4.1.8 Cyclovoltammetrie 4.1.9 Einkristallröntgenstrukturanalyse 4.2 Verwendete Ausgangsverbindungen 4.3 Synthesevorschriften 4.3.1 Synthese von 3-Ferrocenylthiophen (5) 4.3.2 Synthese von 3-Ruthenocenylthiophen (9) 4.3.3 Synthese von Poly(3-ferrocenylthiophen) (10) 4.3.4 Synthese von Poly(3-ruthenocenylthiophen) (11) 4.3.5 Synthese von (1-Ferrocenyl-4-thienylbenzen) (15) 4.3.6 Synthese von Oligo(1-Ferrocenyl-4-thienylbenzen) (16) 4.3.7 Synthese des Copolymers aus EDOT und 3-Ferrocenylthiophen (20) 4.3.8 Synthese von 2-Brom-4-ferrocenylthiopen (22) 4.3.9 Synthese von 3-Ferrocenylthiophen-2-carbaldehyd (29) 4.3.10 Synthese von 3-Ferrocenylthiophen-5-carbaldehyd (30) 4.3.11 Synthese der Dimethoxymethyl-3-ferrocenylthiophene 31 und 32 4.3.12 Synthese von 3-Ferrocenylthiophen-2,5-dicarbaldehyd (34) 4.3.13 Synthese von 3-Ferrocenyl-5-methylthiophen (35) 4.3.14 Synthese von 3-Ferrocenyl-5-methylthiophen-2-carbaldehyd) (40) 4.3.15 Allgemeine Synthesevorschrift für Hydroxymethyl-funktionalisierte 3-ferrocenylthiophene (42, 43 und 44) 4.3.16 Allgemeine Synthesevorschrift für die Herstellung der Terthiophene 49, 50 und 51 4.3.17 Synthese von 1,4-Bis((E)-2-(3-ferrocenylthiophen-2-yl)vinyl)-benzen) (55) 4.3.18 Synthese von 3-(1’-Butylferrocenyl)thiophen (60) 4.3.19 Synthese von 2-Brom-4-(1’-Butylferrocenyl)thiophen (62) 4.3.20 Polymerisationen von 2-Brom-4-ferrocenylthiophen (64) 4.3.21 Polymerisationen von 3-Ferrocenyl-5-methylthiophen-2-carbaldehyd (67) 4.3.22 Polymerisationen von 3-ferrocenyl-2,5-dicarbaldehyd (70) 4.3.23 Polymerisationen von 5-Hydroxymethyl-3-ferrocenylthiophen (75) 4.3.24 Polymerisationen von 2-Brom-4-(1’-Butylferrocenyl)thiophen (77) 4.3.25 Copolymerisationen von 3-ferrocenyl-2,5-dicarbaldehyd (34) mit 52 zu 78 4.3.26 Copolymerisationen von 3-(Ferrocenyl)thiophen mit EDOT (81) 4.3.27 Copolymerisationen von 3-(1’-Butylferrocenyl)thiophen mit EDOT zu 85 4.4 Meßdaten zu den Röntgenstrukturanalysen 5.Zusammenfassung und Ausblick 6 Dank Literaturverzeichnis Selbstständigkeitserklärung Lebenslauf Liste der Publikationen, Poster und Vorträge

Die vorliegende Arbeit behandelt die elektrochemische Synthese (elektrochemische Polymerisation und Copolymerisation) und die Charakterisierung der Redox- und sensorischen Eigenschaften neuer funktionalisierter Polymere für die Ionensensorik. Die Funktionalisierung wird sowohl in der Polymer-Hauptkette (Polysalene) als auch in der Polymer-Seitenkette (ein Thiophen-Copolymer: 3-Methylthiophen/6-Hydroxy-2-(2-(3-thienyl)-ethoxy)-acetophenon) dargestellt. Die Redox-Prozesse der funktionalisierten Polymere wurden mit spektroelektrochemischen Methoden: ESR-, UV-Vis-NIR- und FTIR-Spektroelektrochemie charakterisiert. Durch diese Methoden konnten während der elektrochemischen Oxidation von funktionalisierten leitfähigen Polymeren verschiedene Polymer- bzw. Copolymer-Ladungsträger nachgewiesen werden: Polaronen, Bipolaronen beim Thiophen-Copolymer, zwei Polaronen auf einer Polymerkette im Singulettezustand beim Poly(3-methylthiophen) und eine diamagnetische Spin-Spin-Wechselwirkung zwischen ungepaarten Elektronen der Cu(II)-Ionen und der ungepaarten Elektronen von bisphenolischen Ligand-Kationradikalen beim Poly[Cu(II)-salen]. Sensorische Eigenschaften gegenüber Ni(II)-Ionen wurden durch Potentiometrie an einem Poly[Ni(II)-salen]-Derivat getestet. Es zeigt eine gute potentiometrische Ni(II)-Ionenselektivität (der Logarithmus des potentiometrischen Selektivitätskoeffizienten liegt im Bereich von -0.5 bis -1.5) in Anwesenheit von Cd(II), Mn(II), Zn(II) und Na(I).