Ladningsoverførselssystemer som potentielle byggesten til fremtidige elektroniske nanoenheder

Farverige organiske materialer har fascineret videnskabsmænd allerede i mere end 200 år. Farven på et organisk materiale opstår typisk fra lys-stof-interaktioner, der involverer elektroniske overgange såsom ladningsoverførsel (CT) i eller mellem organiske molekyler. Moderne forskning har vist, at udover at være farvestoffer, organiske CT-materialer kan bruges til mange flere applikationer såsom solcelleanlæg eller belysningsenheder. For at støtte denne udvikling og for at studere dannelsen og anvendelserne af potentielle supramolekylære ladningsoverførselssystemer, Andreas Rösch udforskede flere tilgange til udvikling af potentielle modelsystemer.

Menneskeheden har allerede brugt maling i mere end 40.000 år til at formidle budskaber og til at bevare kulturarven. Mens de farvestoffer, der oprindeligt blev brugt, var naturlige produkter, teknologiske fremskridt gav adgang til syntetiske farvestoffer såsom azofarvestofferne, som revolutionerede brugen af ​​farver i hverdagen.

Hvorimod forskning i intermolekylære ladningsoverførselssystemer (CT) har frembragt et væld af funktionelle farvestoffer til forskellige (opto-) elektroniske applikationer, dannelsen af ​​CT-komplekser mellem individuelle molekyler er blevet brugt til fremstilling af mange supramolekylære systemer i opløsningen eller bulkfasen.

Lys-stof interaktion

I dag, farven på et farvestofmolekyle kan karakteriseres ved analytiske teknikker såsom ultraviolet-synlig (UV/Vis) spektroskopi. I kombination med bestemmelse af den kemiske struktur og kvantekemisk teori, struktur-egenskabsforhold for organiske farvestoffer er blevet undersøgt kvantitativt.

En vigtig lys-stof-interaktion, der ofte er blevet brugt til at skabe farver, der er synlige for øjet, er absorptionen af ​​lys i det synlige regime. Denne egenskab findes ofte i materialer, der udviser ladningsoverførsel mellem elektronrige donor (D) og elektronfattige acceptordele (A).

Afhængigt af den kemiske struktur af de involverede forbindelser, CT kan forekomme enten intramolekylært (IKT), dvs inden for et enkelt molekyle, eller intermolekylært, mellem to individuelle molekyler. Fremtrædende eksempler på forbindelser, der udviser IKT, er push-pull farvestoffer. På grund af deres syntetiske tilgængelighed, afstembare fotofysiske egenskaber og deres høje ekstinktionskoefficienter, en række af sådanne organiske farvestoffer har allerede været i kommerciel brug i mere end et århundrede.

Supramolekylære systemer

I dag, et væld af funktionelle farvestoffer er tilgængelige for at realisere en række (opto-)elektroniske applikationer såsom sensorer, belysnings- og fotovoltaiske apparater. I modsætning til IKT, intermolekylær CT opstår, når der dannes et tæt addukt af D- og A-dele af to forskellige molekyler.

Dette addukt kaldes så CT-kompleks. Et særligt berømt eksempel på et CT-kompleks dannes ved blanding af jod til en vandig opløsning af stivelse og bemærkes ved udviklingen af ​​en intens blå farve. Selvom denne farvedannelse allerede er blevet rapporteret for første gang for mere end 200 år siden, den strukturelle sammenfiltring af det respektive CT-kompleks blev først optrevlet meget senere.

Da de strukturelle krav til dannelse af CT-komplekser blev forstået bedre, CT-komplekser kan bruges til at designe supramolekylære systemer, at danne funktionelle strukturer med størrelser ud over et enkelt molekyle.

Fremtidens elektroniske enheder

I det fremlagte speciale Andreas Rösch sigter mod yderligere at udvide omfanget af forberedelse og anvendelse af organiske ladningsoverførselssystemer inden for supramolekylær kemi. I første del af dette speciale, han fremstillede nye organiske farvestoffer, hvor elektronrige og elektronfattige dele er kovalent forbundet. Han viser, at en blanding af forbindelserne danner et halvledende materiale, som ikke kun transmitterer elektroner, men også forspænder elektronspin.

Da genereringen af ​​en sådan spin-polariseret strøm er af potentiel interesse for anvendelse i asymmetrisk katalyse, han implementerede de opnåede struktur-egenskabsforhold i design af metalfrit materiale kendt for anvendelse i elektrokatalyse.

I anden del af specialet, han dekorerede overflader med højt ordnede rækker af elektronrige og elektronfattige motiver. En af de genererede arkitekturer indeholder stakke af elektronrige og elektronfattige molekyler, hvor den tætte nærhed af D- og A-dele antyder den vellykkede dannelse af CT-komplekser på overfladen. Han viste for første gang, at en sådan arkitektur kan formes i en trinvis, ikke-kovalent tilgang. Dette fund har vigtige konsekvenser for design af fremtidens elektroniske enheder med dimensioner på nanoskalaen.