Organic solar cells (OSC) are interesting as low cost alternative to conventional solar cells. Unsubstituted Metal-phthalocyanines (Pc) are excellent electron donating molecules for heterojunction OSC. Usually organic solar cells with Pcs are produced by vapor deposition, although solution based deposition (like spin casting) is cheaper and offers more possibilities to control the structure of the film. With solution based deposition several parameters (like temperature, solvent and etc.) affect the self-organized structure formation via nucleation and growth. The reason why vapor deposition is typically used is the poor solubility of the metal-phthalocyanines in most common solvents. Furthermore the process of nucleation and growth of Pc aggregates from solution is not well understood. For preparation of Pc films from solution, it is necessary to find the appropriate solvents, assess the solution deposition techniques, such as dip coating, and spin casting. It is necessary to understand the nucleation and growth process for aggregation/precipitation and to use this knowledge to produce nanostructures appropriate for OSC. This is important because the nanostructure of the films determines their performance. In this thesis, optical absorption and the stability of 8 different unsubstituted metal Pc’s were studied quantitatively in 28 different solvents. Among the several solution based deposited thin films produced based on this study, copper phthalocyanine (CuPc) dissolved in trifluoroacetic acid (TFA) is chosen as a model system for an in-depth study. CuPc has sufficient solubility and stability in TFA and upon solution processing forms appropriate structures for OSCs. CuPc molecules aggregate into layers of nanoribbons with a thickness of ~ 1 nm and an adjustable width and length. The morphology and the number of deposited layers in the thin films are controlled by different parameters, like temperature and solution concentration. Material properties of CuPc deposited from TFA are studied in detail via x-ray diffraction, UV-Vis and FT-IR spectroscopy. Atomic force microscopy was used to study the morphology of the dried film. The mechanism of the formation of CuPc nanoribbons from spin casted CuPc/TFA solution in ambient temperature is investigated and explained. The parameters (e.g. solution concentration profile) governing nucleation and growth are calculated based on the spin casting theory of a binary mixture of a nonvolatile solute and evaporative solvent. Based on this and intermolecular interactions between CuPc and substrate a nucleation and growth model is developed explaining the aggregation of CuPc in a supersaturated TFA solution. Finally, a solution processed thin film of CuPc is applied as a donor layer in a functioning bilayer heterojunction OSC and the influence of the structure on OSC performance is studied. / In den vergangenen Jahren wurden kosteneffiziente nasschemische Beschichtungsverfahren für die Herstellung organischer Dünnfilme für verschiedene opto-elektronische Anwendungen entdeckt und weiterentwickelt. Unter anderem wurden Phthalocyanin-Moleküle in photoaktiven Schichten für die Herstellung von Solarzellen intensiv erforscht. Aufgrund der kleinen bzw. unbekannten Löslichkeit wurden Phthalocyanin-Schichten durch Aufdampfverfahren im Vakuum hergestellt. Des Weiteren wurde die Löslichkeit durch chemische Synthese erhöht, was aber die Eigenschaften von Pc beeinträchtigte. In dieser Arbeit wurde die Löslichkeit, optische Absorption und Stabilität von 8 verschiedenen unsubstituierten Metall-Phthalocyaninen in 28 verschiedenen Lösungsmitteln quantitativ gemessen. Wegen ausreichender Löslichkeit, Stabilität und Anwendbarkeit in organischen Solarzellen wurde Kupferphthalocyanin (CuPc) in Trifluoressigsäure (TFA) für weitere Untersuchungen ausgewählt. Durch die Rotationsbeschichtung von CuPc aus TFA Lösung wurde ein dünner Film aus der verdampfenden Lösung auf dem Substrat platziert. Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels, die Nanobändern aus CuPc bedecken das Substrat. Die Nanobänder haben eine Dicke von etwa ~ 1 nm (typische Dimension eines CuPc-Molekül) und variierender Breite und Länge, je nach Menge des Materials. Solche Nanobändern können durch Rotationsbeschichtung oder auch durch andere Nassbeschichtungsverfahren, wie Tauchbeschichtung, erzeugt werden. Ähnliche Fibrillen-Strukturen entstehen durch Nassbeschichtung von anderen Metall-Phthalocyaninen, wie Eisen- und Magnesium-Phthalocyanin, aus TFA-Lösung sowie auf anderen Substraten, wie Glas oder Indium Zinnoxid. Materialeigenschaften von aufgebrachten CuPc aus TFA Lösung und CuPc in der Lösung wurden ausführlich mit Röntgenbeugung, Spektroskopie- und Mikroskopie Methoden untersucht. Es wird gezeigt, dass die Nanobänder nicht in der Lösung, sondern durch Verdampfen des Lösungsmittels und der Übersättigung der Lösung entstehen. Die Rasterkraftmikroskopie wurde dazu verwendet, um die Morphologie des getrockneten Films bei unterschiedlicher Konzentration zu studieren. Der Mechanismus der Entstehung der Nanobändern wurde im Detail studiert. Gemäß der Keimbildung und Wachstumstheorie wurde die Entstehung der CuPc Nanobänder aus einer übersättigt Lösung diskutiert. Die Form der Nanobändern wurde unter Berücksichtigung der Wechselwirkung zwischen den Molekülen und dem Substrat diskutiert. Die nassverarbeitete CuPc-Dünnschicht wurde als Donorschicht in organischen Doppelschicht Solarzellen mit C60-Molekül, als Akzeptor eingesetzt. Die Effizienz der Energieumwandlung einer solchen Zelle wurde entsprechend den Schichtdicken der CuPc Schicht untersucht.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Darstellung mono-, bi- und trimetallischer bis(oxamato) und bis(oxamidato) Übergangsmetallkomplexe, ihrer - insbesondere - magnetischen Charakterisierung, der Überführung trimetallischer Komplexe in dünne Filme im nm-Bereich mittels Rotationsbeschichtung auf Si/SiO2-Substraten, der Charakterisierung der Filme und magneto-optischen Untersuchungen der dünnen Filme. Durch gezielte Variation funktioneller Gruppen insbesondere der trimetallischen bis(oxamato)-Übergangsmetallkomplexe, wie der Verwendung variierter zentraler N,N’-Brücken, terminaler Liganden bzw. inkorporierter Übergangsmetallionen sollten nicht nur die physikalischen Eigenschaften modifiziert werden, sondern auch das Abscheideverhalten dieser Komplexe beim Überführen in dünne Filme.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Darstellung mono-, bi- und trimetallischer bis(oxamato) und bis(oxamidato) Übergangsmetallkomplexe, ihrer - insbesondere - magnetischen Charakterisierung, der Überführung trimetallischer Komplexe in dünne Filme im nm-Bereich mittels Rotationsbeschichtung auf Si/SiO2-Substraten, der Charakterisierung der Filme und magneto-optischen Untersuchungen der dünnen Filme. Durch gezielte Variation funktioneller Gruppen insbesondere der trimetallischen bis(oxamato)-Übergangsmetallkomplexe, wie der Verwendung variierter zentraler N,N’-Brücken, terminaler Liganden bzw. inkorporierter Übergangsmetallionen sollten nicht nur die physikalischen Eigenschaften modifiziert werden, sondern auch das Abscheideverhalten dieser Komplexe beim Überführen in dünne Filme.

The synthesis of complexes [M(OCHMeCH2NMeCH2)2] (5, M = Mg; 7, M = Zn) is described. Treatment of MeHNCH2CH2NMeH (1) with 2-methyloxirane (2) gave diol (HOCHMeCH2NMeCH2)2 (3), which upon reaction with equimolar amounts of MR2 (4, M = Mg, R = Bu; 6, M = Zn, R = Et) gave 5 and 7. The thermal behavior and vapor pressure of 5 and 7 were investigated to show whether they are suited as CVD (= chemical vapor deposition) and/or spin-coating precursors for MgO or ZnO layer formation. Thermogravimetric (TG) studies revealed that 5 and 7 decompose between 80–530 °C forming MgO and ZnO as evidenced by PXRD studies. In addition, TG-MS-coupled experiments were carried out with 7 proving that decomposition occurs by M–O, C–O, C–N and C–C bond cleavages, as evidenced from the detection of fragments such as CH4N+, C2H4N+, C2H5N+, CH2O+, C2H2O+ and C2H3O+. The vapor pressure of 7 was measured at 10.4 mbar at 160 °C, while 5 is non-volatile. The layers obtained by CVD are dense and conformal with a somewhat granulated surface morphology as evidenced by SEM studies. In addition, spin–coating experiments using 5 and 7 as precursors were applied. The corresponding MO layer thicknesses are between 7–140 nm (CVD) or 80 nm and 65 nm (5, 7; spin-coating). EDX and XPS measurements confirm the formation of MgO and ZnO films, however, containing 12–24 mol% (CVD) or 5–9 mol% (spin-coating) carbon. GIXRD studies verify the crystalline character of the deposited layers obtained by CVD and the spin-coating processes.

This Ph.D. thesis concentrates on the synthesis and characterization of tailor-made metal-based precursors and their application in the metal-organic chemical vapor deposition (MOCVD), combustion chemical vapor deposition (CCVD) and in the spin-coating process. Therefore, different complexes containing copper, ruthenium, palladium and gold were synthesized and investigated concerning their thermal properties, especially their decomposition behavior and volatility. Copper(II) and palladium(II) β-ketoiminates were synthesized and used in MOCVD or spin-coating deposition experiments for the formation of metal and metal oxide materials. Ruthenium complexes of type Ru(CO)2(PEt3)2(O2CR)2 (R = Me, Et, iPr, tBu, CH2OMe, CF3) were investigated concerning their physical characteristics depending on the different carboxylates. While primarily focusing on the thermal decomposition behavior, VT IR (variable temperature infrared) spectroscopy, TG-MS (thermogravimetry-mass-spectrometry) studies and DFT (density-functional theory) calculations were carried out to gain a deeper inside into the degradation of the respective complexes, whereby it was possible to propose decomposition mechanisms. Furthermore, from these results it was possible to propose decomposition mechanisms. Gold carboxylates of type [AuO2CCH2OMe(PR’3)] (R’ = Et, nBu) were synthesized and characterized for the use as precursors within CCVD processes to generate Au and SiOx:Au materials. The deposits were used as heterogeneous catalyst in the reduction of 4-nitrophenol. The deposition behavior of zinc diolate towards zinc oxide layer formation was studied by MOCVD experiments, whereby an influence on the crystallinity of the received films was observed depending on the deposition conditions. The second part of this dissertation focuses on the synthesis of polyaromatic hydrocarbons (napthalene, phenanthrene and pyrene) functionalized with Fc (Fc = Fe(η5-C5H4)(η5-C5H5)) units as redox-active group. Thereby, the main emphasis was on the investigation of the charge transfer properties between the ferrocenyl entities through the π-conjugated bridges. The charge transfer behavior was affected by the substituents or substitution pattern at the aryls resulting in more or less intense intervalence charge transfer (IVCT) excitations of the respective compounds. In order to explore the interaction between the Fc-functionalized arenes and SWCNTs (single-walled carbon nanotubes), these molecules were studied by single-crystal X-ray diffraction analysis and DFT calculations. Moreover, disentangling experiments of SWCNTs with a Fc-functionalized pyrene led to the formation of a novel nanoconjugation, whereby the electrochemical response of the ferrocenyl entities is still present. / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Synthese und Charakterisierung von maßgeschneiderten Übergangsmetall-basierten Precursoren und deren Anwendung in der metallorganischen chemischen Gasphasenabscheidung (MOCVD), in der Flammenbeschichtung (CCVD), oder in der Rotationsbeschichtung. Dafür wurden Kupfer-, Ruthenium-, Palladium- und Gold-haltige Komplexe hergestellt und bezüglich ihrer thermischen Eigenschaften, insbesondere das Zersetzungsverhalten und die Flüchtigkeit, charakterisiert. Cu(II)- und Pd(II)-β-Ketoiminate wurden synthetisiert und in der MOCVD oder in der Rotationsbeschichtung genutzt, um metallische und metalloxidische Materialien abzuscheiden. Ruthenium Komplexe des Typs Ru(CO)2(PEt3)2(O2CR)2 (R = Me, Et, iPr, tBu, CH2OMe, CF3) wurden hinsichtlich ihrer physikalischen Eigenschaften in Abhängigkeit der verschiedenen Substituenten der Carboxylate untersucht. Dabei lag der Fokus im Besonderen auf der thermischen Zersetzungen, welche mittels VT IR (variable Temperatur-Infrarot) Spektroskopie, TG-MS (Thermogravimetrie-Massenspektrometrie) Untersuchungen und DFT (Dichtefunktionaltheorie) Berechnungen genauer beleuchtet wurden. Dabei war es anhand der erhaltenen Ergebnisse möglich Zersetzungsmechanismen zu formulieren. Weiterhin wurden Goldcarboxylate der Art [AuO2CCH2OMe(PR’3)] (R’ = Et, nBu) synthetisiert und in der CCVD untersucht, um Au und SiOx:Au Materialien herzustellen, welche im Weiteren als heterogene Katalysatoren für die Reduktion von 4-Nitrophenol genutzt wurden. Das Abscheideverhalten von Zinkdiolaten in der MOCVD zur Erzeugung von dünnen Zinkoxidfilmen wurde beispielsweise in Hinblick des Einflusses auf die Kristallinität der Filme untersucht. Im zweiten Teil der Dissertation wird die Synthese von Fc-funktionalisierten (Fc = Fe(η5-C5H4)(η5-C5H5)) polyaromatischen Kohlenwasserstoffen (Naphthalen, Phenanthren, Pyren) diskutiert. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Untersuchung des Elektrontransferverhaltens zwischen den Redox-aktiven Gruppen in Abhängigkeit der Substituenten und des Substitutionsmusters der π-konjugierten Brücke. Diese Verbindungen wurden mittels Röntgeneinkristallstrukturanalyse und DFT-Berechnungen untersucht um festzustellen, ob eine Wechselwirkung zwischen den Fcfunktionalisierten Arenen und SWCNTs (einwandige Kohlenstoffnanoröhren) möglich ist. Entbündelungsversuche von SWCNTs in Anwesenheit eines Fc-funktionalisierten Pyrens lieferten ein neuartiges Hybridsystem, welches Fc-basierte Redoxprozesse zeigte.

The present work is dealing with the synthesis and characterization of mono- to trinuclear Cu(II)- and Ni(II)-containing bis(oxamato) and bis(oxamidato) complexes, respectively. It will be derived to which extent the spin density distribution of mononuclear complexes, determined by electron paramagnetic resonance studies experimentally and calculated by quantum mechanical calculations, can be regarded as a measure of the magnitude of magnetic superexchange interactions of corresponding trinuclear complexes. The usability of tailor-made trinuclear complexes for their deposition in form of thin film by spin-coating is described as well as the magneto-optical characterization of these thin films. It is shown, that the tailor-made functionalization of mono- to trinuclear bis(oxamidato) complexes with long alkyl chains is suited to allow these complexes to assembly in monolayers on, e.g., HOPG(0001) (highly-oriented pyrolytic graphite), whereas the functionalization of the alkyl chains with S atoms allows the generation of self-assembled monolayers on metallic gold. Furthermore it is shown, that the functionalization of mono- and trinuclear Cu(II)-containing bis(oxamato) complexes with ferrocenediyle fragments allows to modify the magnetic properties by making use of the oxidation process Fe(II)/Fe(III). / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Darstellung und Charakterisierung ein- bis dreikerniger Cu(II)- bzw. Ni(II)-haltiger bis(oxamato) oder bis(oxamidato) Komplexe. Es wird abgeleitet, inwiefern die aus Elektronenenspinresonanz- Untersuchungen experimentell und die quantenmechanisch berechneten Spindichteverteilungen einkerniger Komplexe ein Maß für die Größe der magnetischen Superaustauschwechselwirkungen korrespondierender dreikerniger Komplexe darstellt. Die Eignung maßgeschneiderter dreikerniger Komplexe zu ihrer Überführung in dünne Filme im nm-Bereich mittels Rotationsbeschichtung auf Si/SiO2-Substraten wird beschrieben sowie die magneto-optische Charakterisierung dieser dünnen Filme. Es wird gezeigt, dass durch gezielte Funktionalisierung mit langkettigen Alkylresten ein- bis dreikernige Cu(II)-haltige bis(oxamidato) Komplexe geeignet sind, auf Substraten wie HOPG(0001) (hochorientiertes pyrolytisches Graphit) zu Monolagen zu assemblieren während die zielgerichtete Funktionalisierung der Alkylketten mit S-Atomen es ermöglicht selbst-assemblierte Monolagen auf metallischem Gold zu generieren. Zusätzlich wird beschrieben, dass durch die Funktionalisierung von ein- und dreikernigen Cu(II)-haltigen bis(oxamato) mit Ferrocendiylresten die magentischen Eigenschaften durch den Oxidationsprozess Fe(II)/Fe(III) gezielt modifiziert werden können.

The present work is dealing with the synthesis and characterization of mono- to trinuclear Cu(II)- and Ni(II)-containing bis(oxamato) and bis(oxamidato) complexes, respectively. It will be derived to which extent the spin density distribution of mononuclear complexes, determined by electron paramagnetic resonance studies experimentally and calculated by quantum mechanical calculations, can be regarded as a measure of the magnitude of magnetic superexchange interactions of corresponding trinuclear complexes. The usability of tailor-made trinuclear complexes for their deposition in form of thin film by spin-coating is described as well as the magneto-optical characterization of these thin films. It is shown, that the tailor-made functionalization of mono- to trinuclear bis(oxamidato) complexes with long alkyl chains is suited to allow these complexes to assembly in monolayers on, e.g., HOPG(0001) (highly-oriented pyrolytic graphite), whereas the functionalization of the alkyl chains with S atoms allows the generation of self-assembled monolayers on metallic gold. Furthermore it is shown, that the functionalization of mono- and trinuclear Cu(II)-containing bis(oxamato) complexes with ferrocenediyle fragments allows to modify the magnetic properties by making use of the oxidation process Fe(II)/Fe(III). / Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Darstellung und Charakterisierung ein- bis dreikerniger Cu(II)- bzw. Ni(II)-haltiger bis(oxamato) oder bis(oxamidato) Komplexe. Es wird abgeleitet, inwiefern die aus Elektronenenspinresonanz- Untersuchungen experimentell und die quantenmechanisch berechneten Spindichteverteilungen einkerniger Komplexe ein Maß für die Größe der magnetischen Superaustauschwechselwirkungen korrespondierender dreikerniger Komplexe darstellt. Die Eignung maßgeschneiderter dreikerniger Komplexe zu ihrer Überführung in dünne Filme im nm-Bereich mittels Rotationsbeschichtung auf Si/SiO2-Substraten wird beschrieben sowie die magneto-optische Charakterisierung dieser dünnen Filme. Es wird gezeigt, dass durch gezielte Funktionalisierung mit langkettigen Alkylresten ein- bis dreikernige Cu(II)-haltige bis(oxamidato) Komplexe geeignet sind, auf Substraten wie HOPG(0001) (hochorientiertes pyrolytisches Graphit) zu Monolagen zu assemblieren während die zielgerichtete Funktionalisierung der Alkylketten mit S-Atomen es ermöglicht selbst-assemblierte Monolagen auf metallischem Gold zu generieren. Zusätzlich wird beschrieben, dass durch die Funktionalisierung von ein- und dreikernigen Cu(II)-haltigen bis(oxamato) mit Ferrocendiylresten die magentischen Eigenschaften durch den Oxidationsprozess Fe(II)/Fe(III) gezielt modifiziert werden können.