Novel organic semiconductors with specific substitution pattern – Publication by A2 (Witte) & A8 (Koert)

In their study published in Angewandte Chemie International Edition, the authors from two SFB-projects present their research into unilaterally fluorine-substituted pentacenes. This new reaction path will make it possible to synthesize functional materials and to create molecular nanostructures, the properties of which can be used in future organic components.

 

A ring closing reaction leads to a new unilaterally fluorine-substituted pentacene with a novel packing motif in the solid. This product exhibits a strong dipole moment (picture: Daniel Bischof).

Organic semiconductor materials consist of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAH), which serve as molecular building blocks for the realization of functional materials and thin-film devices. The electronic properties of these often structurally simple materials can be changed by specific chemical modifications and thus tailored to the respective application. For example, perfluorination of such p-conjugated molecular materials affects the polarity of the charge carrier thus allowing a change from p-type to n-type semiconductors. For the prototypical organic semiconductors of acenes, it has so far only been possible to implement substitution patterns in which the molecules have been substituted symmetrically with respect to their long axis or entire ring units have been modified. In a recent collaboration between synthetic chemistry and molecular solid-state physics at the Philipps-University in Marburg, a novel synthetic strategy has been introduced that enables a regioselective functionalization of acenes.

This new concept was demonstrated using the example of unilaterally substituted fluoroacenes, whose electronic structure is a hybrid of the parental non-fluorinated and perfluorinated pentacenes. An important milestone in the synthesis strategy developed in the group of Prof. Dr. Ulrich Koert is the transition metal-catalyzed C-C bond formation, which makes this synthesis controllable. This novel material was crystallized and characterized with respect to its optical and electronic molecular- and solid state properties in the group of Prof. Dr. Gregor Witte. It was shown that the unilateral fluorination causes a distinctive dipole moment in contrast to the symmetrical substituted molecules. In addition, the molecules in crystals show a novel packing motif and also their optical solid states (excitons) are significantly altered. The identified new molecular packing motif and the additional electrostatic interactions open up new possibilities for the controlled fabrication of functional thin films and molecular heterostructures with special molecular interface structures and thus enable a tailoring of the electronic interface coupling.


Publication

P.E. Hofmann, M.W. Tripp, D. Bischof, Y. Grell, A.L.C. Schiller, T. Breuer, S.I. Ivlev, G. Witte, U. Koert,
Unilaterally Fluorinated Acenes: Synthesis and Solid State Properties,

Angewandte Chemie 59, 16501 (2020)

 

Contact

Prof. Dr. Ulrich Koert
Philipps-Universität Marburg
SFB 1083 project A8
Tel.: +49 6421 28-26970
E-mail: koert@chemie.uni-marburg.de

Prof. Dr. Gregor Witte
Philipps-Universität Marburg
SFB 1083 project A2
Tel.: +49 6421 28-21384
E-Mail: gregor.witte@physik.uni-marburg.de

Publication of SFB 1083 Activity Report

SFB 1083 published an activity report covering its scientific achievements in the first six years from 2013-2019.

The activity report of the SFB 1083 gives a scientific introduction into the research done from 2013 until 2019. It comprises the motivation of the SFB 1083 as well as several publications as highlights. Furthermore, it provides an overview over the projects within the SFB 1083. Another part of it features the scientific communications in the form of workshops and conferences, e.g., the ICII-2016 and the ASOMEA-IX, in the relevant period. Besides these activities, the principal investigators are introduced and an overview over the staff, including numerous PhD-students, guest scientists and visitors. In the last part, interesting statistics of the SFB 1083 are presented.

The activity report can be downloaded here for further details.

Complementary to the activity report that addresses mainly other researchers, the SFB 1083 image brochure in German aims at interested students and the public. It gives a general introduction to the research on internal interfaces and portraits the participating researchers.

The image brochure (German) can be downloaded here for further details.

A printed version of both documents is available upon request.

 

Contact

Sonderforschungsbereich 1083
Philipps-Universität Marburg
Renthof 5
35043 Marburg
Tel.: 06421 28-24223
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Imagefilm porträtiert Forschung an inneren Grenzflächen

Video: Till Schürmann. German Video Clip.

Der neue Film des SFB 1083 nimmt den interessierten Laien mit auf eine Reise hinunter zur atomaren Skala und will ihm zeigen, wie die aktuelle Spitzenforschung dort im Bereich der Grenzflächen voranschreitet.

Das 6-minütige Video ist kein anspruchsvoller Lehrfilm, vielmehr wirkt es wie Wissenschafts-Science-Fiction direkt aus dem Kino, mit Kamerafahrten bis in den Nanometerbereich, mit Flügen durch leuchtende Moleküle, mit exotischen Exzitonen und raumfüllenden Laser-Apparaturen. Sehr eindrücklich auch die Musik, eigens für diesen Film wurden „Die Planeten“ von Gustav Holst (1874-1934) neu arrangiert.

Warum Grenzflächen?

„In unserer modernen Welt werden gewaltige Mengen an Daten übertragen,“ erläutert Prof. Ulrich Höfer, der Initiator und derzeitige Sprecher des SFB, „und Jahr für Jahr werden es mehr. Die ständige Miniaturisierung erlaubt uns, diese Datenmenge immer schneller und effizienter zu verarbeiten. Aber je kleiner die Bauteile werden, desto stärker tritt in den Vordergrund, wo auf der atomaren Skala die Information gesteuert wird: Die innere Grenzfläche zwischen zwei Materialien. Wer hier Fortschritte erzielen kann, setzt die Maßstäbe für die Welt von morgen.“

Der Film zeigt, dass Grenzflächen noch ganz andere Chancen bieten: Verbindungen von Elektronik und Organik versprechen völlig neue Möglichkeiten der Informationsverarbeitung, Nanometer-kleine Laser überbrücken immer weitere Strecken, und Solarzellen mit organischen Kristallen könnten unsere Energieversorgung auf ein neues Level heben. Oder mit den Worten von Prof. Stefanie Dehnen von der Uni Marburg: „Man möchte als Wissenschaftler immer Dinge entdecken und weiterentwickeln, die letztlich der Welt helfen können.“

Prof. Michael Dürr aus Gießen erklärt den hohen Anspruch des Film-Projekts: „Wir hatten den Ehrgeiz, die atomaren Prozesse schöner – und auch exakter – darzustellen, als man das bisher in dieser Art gesehen hat. Und dabei immer auch verständlich zu bleiben.“

Realisiert hat den Film der Gießener Filmemacher Till Schürmann. „Es macht ja immer viel Spaß, Wissenschaft so darzustellen, dass man auch die Begeisterung spürt, die die Wissenschaftler haben. Die sitzen ja nicht nur in ihren Laboren, die erleben immer wieder Nervenkitzel, die spüren Faszination und Freude genauso wie wir normalen Menschen“, erzählt er über seine Motivation. „Nur dass die Welt, in der sie sich bewegen, die Apparate, die Ergebnisse, dass die uns als pure Science Fiction erscheinen.“

Science Fiction, die durch die unermüdliche Arbeit der Forscher immer weniger – Fiction sein wird. Und die uns eines Tages vielleicht ganz selbstverständlich umgeben wird.

Was ist ein Sonderforschungsbereich?

Sonderforschungsbereiche sind langfristige Projekte aus der Grundlagenforschung, die von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) aus Mitteln des Bundes und der Ländern gefördert werden.

Prof. Höfer erläutert das Besondere des Marburger Sonderforschungsbereichs 1083: “Das Verständnis innerer Grenzflächen gilt schon seit vielen Jahren als eines der Gebiete der Festkörperphysik mit dem drängendsten Forschungsbedarf. So sagte Herbert Kroemer bereits im Jahr 2000 bei seiner Nobelpreis-Vorlesung: ‘Die Grenzfläche ist das Bauteil’. Unser SFB überträgt dazu Methoden der Oberflächenphysik und Oberflächenchemie auf die Untersuchung von Grenzflächen. Durch diesen Ansatz und die Fokussierung auf Modellsysteme, die auf der atomaren Skala gut charakterisiert sind, haben wir uns als Verbund ein Alleinstellungsmerkmal erarbeitet. Aber auch bei der Entwicklung und Weiterentwickelten optischer Spektroskopien sind wir weltweit ganz vorne mit dabei.

Neben der Uni Marburg sind im SFB 1083 „Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen“ noch die Uni Gießen, das Forschungszentrum Jülich und die Uni Münster mit an Bord. Insgesamt arbeiten hier 80 Wissenschaftler aus den unterschiedlichsten Disziplinen zusammen. Die jährlichen DFG-Fördergelder belaufen sich auf etwa 2.5 Millionen Euro.

„Der Film zeigt natürlich nur einen winzigen Ausschnitt unserer Aktivitäten“, sagt Höfer. „Bei insgesamt 18 Teilprojekten und 24 Professoren haben Sie eine ungeheure Bandbreite an Interessen und individuellen Forschungsschwerpunkten. Aber durch die Fokussierung auf die Grenzfläche erleben wir hier auch eine gewaltige gegenseitige Inspiration. So etwas ist eben nur durch einen Sonderforschungsbereich möglich, durch die langfristige Orientierung des gesamten Projekts.“

Video

Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen – YouTube

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