Universität Heidelberg (OCI)

Im Kompetenzzentrum Synthese arbeiten Nachwuchsforscher aus der Wissenschaft (Master / Doktoranden und Postdocs) Hand in Hand mit Forschern aus unterschiedlichen Disziplinen und Branchen.

Wir entwickeln die Materialien der organischen Elektronik weiter zu maßgeschneiderten Lösungen für Druckprozesse indem Erkenntnisse aus der Prozessierung von organischen Halbleitern in die Materialsynthese einfließen.

Durch die enge Verzahnung mit den anderen Kompetenzzentren vor Ort ist es möglich, aktuelle Bauelementdaten unmittelbar in neue Generationen von Materialien einfließen zu lassen. Auf diese Weise werden Rückkopplungsschleifen beschleunigt und optimierte Materialien für die Flüssigphasenprozessierung in den Laboren des Instituts für Organische Chemie (OCI) der Universität Heidelberg hergestellt.

 

 

Forschungsschwerpunkte:

  • Löslichkeitsschaltbare Materialien
  • Oberflächenmodifikation
  • Druckbare Silbertinten
  • Neuartige organische Dotierstoffe
  • Neuartige Halbleiterstrukturen

Durch die enge Verknüpfung mit den anderen Kompetenzzentren des InnovationLabs werden eine Vielzahl von unterschiedlichen Projekten bearbeitet. Eine Auswahl der größeren Themengebiete ist hier aufgeführt. Weitere Projekte können in dieser Grafik entnommen werden.

Herstellung aufeinanderfolgender Schichten aus Lösung und Möglichkeiten zur Löslichkeitsmodulation (© D. Jänsch, Universität Heidelberg)

Löslichkeitsschaltbare Materialien

Für die kostengünstige Herstellung von OE-basierten Geräten sind Prozesse mit hohem Durchsatz wie das Drucken erforderlich. Die Herstellung aufeinanderfolgender Schichten aus Lösung ist jedoch eine Herausforderung, da jede Schicht gegenüber dem für die nachfolgende Schicht verwendeten Lösungsmittel beständig sein muss. Um mehrere Schichten aus Lösungsmitteln ähnlicher Polarität kontrolliert zu verarbeiten, werden im Kompetenzzentrum Synthese Halbleitermaterialien so modifiziert, dass ihre Löslichkeit bei Anregung durch Vernetzung, Vorstufenweg oder Entfernung solubilisierender Gruppen drastisch abnimmt. Eine wichtige Randbedingung dabei ist die Kompatibilität des Stimulus' mit Substrat, Halbleiter und Prozessierung.

 

 

Unsere Arbeiten in diesem Bereich erfolgen im Rahmen des POESIE Projekt (FKZ 13N13695). Vorherige Arbeiten wurden im Rahmen des MORPHEUS projekts (FKZ 13N11701) gefördert.

Selbstorganisierende Monoschichten zur Modifikation von Grenzflächen

Oberflächenmodifikationen durch gut konzipierte SAM-Moleküle (© D. Jänsch, Universität Heidelberg)

Im Kompetenzzentrum Synthese sollen Moleküle und Methoden entwickelt werden, welche die in allen Bauelementen der organischen Elektronik auftretenden Grenzflächen modifizieren. Diese Grenzflächen haben häufig eine entscheidende Rolle für die Qualität des entstehenden Bauelements. Besonders die Grenzfläche von Halbleitermaterial zu Dielektrikum in Feldeffekttransistoren und die in allen Bauelementen auftretende Grenzfläche von Elektrodenmaterialien zu (halb-)leitendem Material. Kleine konjugierte Moleküle können als selbstorganisierende Monoschichten (SAMs) die Austrittsarbeit von Elektroden verschieben, um eine bessere Ausrichtung mit dem organischen Halbleiter zu erzielen und die Benetzbarkeit der Oberfläche und damit den Kontakt zum Halbleiter zu verbessern. Wir entwickeln neue SAM-Moleküle für Metalloxide wie ITO und Metalle wie Silber und Gold und passen Größe und Ausrichtung ihrer Dipolmomente in Bezug auf die Oberfläche an.

Unsere Arbeiten in diesem Bereich erfolgen im Rahmen des BMBF geförderten Interphase Projects (FKZ 13N13695). Vorangegangene Arbeiten wurden im Rahmen des MORPHEUS Projekts (FKZ 13N11701) ebenfalls durch das BMBF gefördert.

Neuartige organische Dotierstoffe

Molekulares Dotieren erhöht die Leitfähigkeit sowohl von organischen kleinen Molekülen als auch von Polymeren. Ohmsche Verluste in den Ladungstransportschichten und Injektionsbarrieren an Grenzflächen zu Elektroden können drastisch reduziert werden. P- und n-Dotierstoffe werden im Competence Center synthetisiert und auf Luft- / Feuchtigkeitsstabilität sowie Löslichkeit und Dotierkraft getestet, um löslichere Materialien mit höherer Wirksamkeit als in der Literatur zu erhalten. Doping-Effekte werden in großen Mengen und an den Grenzflächen untersucht.
Unsere Arbeit ist im Rahmen des Interphase projekts (FKZ 13N13695) vom BMBF gefördert.

Druckbare Silbertinten

Voll lösungsverarbeitete Geräte erfordern druckbare Elektrodenmaterialien. Silberelektroden können nach dem Sintern der jeweiligen Nanopartikel erhalten werden. Um sie in Lösung zu stabilisieren, entwickeln wir stabilisierte Nanopartikel, die niedrige Sintertemperaturen ermöglichen, und untersuchen sie zusammen mit den Kompetenzzentren Drucken und Analytik.

Our work is funded within the POESIE project (FKZ 13N13695) by the BMBF.

Novel Semiconductors

Electron-transporting materials are needed for a wide range of devices and ideally should be insensitive to air and humidity. Within the Competence Center Synthesis, we develop new acceptor structures and study their stability and phase behavior in e.g. bulk heterojunctions together with the Competence Center Analytics and Simulation. Aim of our work are materials for electron-transporting layers in OLEDs, for n-channel transistors in complementary circuits and acceptors in organic solar cells.
Our work on new acceptor structures was funded by the BMBF (FKZ 13N11701).

Ehemalige Projekte:

Gedruckte organische Thermoelektrik

Thermoelektrische Generatoren (TEGs) beziehen Energie aus einer Temperaturdifferenz. Organische TEGs bieten dabei aufgrund ihrer neuartigen Materialeigenschaften einige signifikante Vorteile, vor allem die Anwendbarkeit von Druckprozessen zur Herstellung der Generatoren birgt großes Potential.

Referenzmaterial im Bereich der organischen Thermoelektrik sind aufgrund ihrer hohen Leitfähigkeit und Stabilität derzeit dotierte PEDOT-Derivate. Die Effizienz von PEDOT kann dabei durch geeignete Prozessierung deutlich erhöht werden. Wir untersuchen Möglichkeiten, sowohl Effizienz als auch die Verarbeitbarkeit von organischen Leitern zu verbessern.
 
Unsere Arbeiten in diesem Bereich erfolgen im Rahmen der Forschungsallianz HEiKA im Projekt PEDOT2.0 zusammen mit dem Lichttechnischen Institut des KIT.

ELPOLITO

Elektropolymerisiertes PEDOT und seine Benetzungseigenschaften (© M. Hamburger, Universität Heidelberg)

Sollen organische Halbleiter aus flüssiger Phase verfilmt werden, so ist die Benetzbarkeit des Untergrundes ein zentraler Faktor. Das Fluid muss in seiner Oberflächenspannung auf die Oberflächenenergie des Substrates abgestimmt werden. Eine Möglichkeit, den häufig schwierig einzustellenden Kontakt zwischen anorganischen Substraten (z.B. ITO) und organischen Lösungen zu verbessern, ist das Aufbringen einer organischen, leitfähigen Schicht auf dem Oxid. Eine etablierte Methode hierzu ist das Aufschleudern von dotierten Polymeren (z.B. PEDOT:PSS aus Wasser). Eine interessante Alternative ist die Elektropolymerisation: Bei diesem Verfahren wird ein konjugiertes Polymer elektrochemisch direkt auf der Oberfläche erzeugt.
 
Dieses Projekt wurde durch die Universität Heidelberg im Rahmen des Zentralen Forschungspools gefördert.

Neben modern ausgestatteten Synthese-Laboren nutzen wir die Infrastruktur des Organisch-Chemischen Instituts der Universität Heidelberg für chemische Analytik.

Zusätzlich setzen wir folgende Geräte ein:

Thermogravimetrische Analyse / Dynamische Differenzkalimetrie

Gekoppeltes TGA/DSC-System der Firma Mettler-Toledo
 
Unabhängig von der Prozessierungsmethode, ob Gasphasenabscheidung oder Lösungsprozessiert, ist die thermische Stabilität und das Phasenverhalten von organischen Materialien eine wichtige Größe.
 
Dies kann per TGA/DSC bestimmt werden.

 

Potentiostat/Cyclovoltammetrie

Laborpotentiostat der Firma Princeton Applied Research
 
Als Strom-/Spannungsquelle für Elektropolymerisation und zur Analyse der Elektrochemischen Redoxpotentiale neuer Materialien per Cyclovoltammetrie dient dieser Potentiostat.

 

T4-Glovebox mit Kühlschrank

T4-Glovebox von Glovebox Systemtechnik

Zur Handhabung luft- und wasserstabiler Katalysatoren und Reagenzien.

 

Zentrifuge

Laborzentrifuge von Sigma

Zum Aufreinigen von halbleitenden Polymeren durch Umfällen.

 

Labormikrowellenreaktor

Labormikrowelle der Firma Anton Paar

Zum schnelleren und gleichmäßigeren Erhitzen von Reaktionslösungen sowie Reaktionen unter mildem Überdruck.

 

Säulenautomat

Säulenautomat der Firma Biotage
 
Für wiederholte Aufreinigung wichtiger Zwischenstufen in größerem Maßstab.

PhD Students

Ali Abdulkarim

PhD student
contact via email
Room: INF 270 R.0.112
Phone: +49 (0) 6221 54 64 38 (OCI)

Gérard Bollmann

PhD student
contact via email
Room: INF 271 R.0.18
Phone: +49 (0) 6221 54 85 71 (OCI)

Zeyu "Lydia" Li

PhD student
contact via email
Room: INF 271 R.2.11
Phone: +49 (0) 6221 54 61 47 (OCI)

Master & Bachelor

Alumni

  • Dr. Florian Golling (former group head)
  • Dr. Manuel Hamburger (former group head)
  • Dr. Felix Hinkel (former group head)

  • Silas Aslan, M.Sc.
  • Dr. Malte Jesper
  • Dr. Marius Kuhn
  • Dr. Torben Peters
  • Dr. Martin Petzoldt
  • Maik Rudloff, M.Sc.
  • Dr. Korwin Schelkle
  • Artur Schneider, M.Sc.
  • Dr. Claudia Teusch
  • Svenja Taschinski, M.Sc.
  • Lukas Ahrens, M.Sc.
  • Nadja Klipfel, M.Sc.
  • Nico Balzer, M.Sc.
  • Anne Hoffstädt
  • Christoph Köhler
  • Barbara Ejlli, M.Sc.
  • Marvin Nathusius, M.Sc.
  • Saskia Braun
  • Manuela Casutt
  • Simon Benneckendorf
  • Max Ackermann