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Authors: Berger, Reinhard Franz Josef
Title: Dotierte Nanographenstreifen mit definierten Randstrukturen
Online publication date: 25-Feb-2015
Language: german
Abstract: Die in der vorliegenden Dissertation entwickelten organochemischen Protokolle und Konzepte erweitern die Bottom-Up-Synthese von atompräzisen Nanographenstreifen (GNR) um zwei fundamentale Bereiche. Zum einen die Dotierung der halbleitenden GNR mit Schwefel oder Stickstoffatomen und zum anderen ein Protokoll für eine lösungsbasierte Synthese von stickstoffdotierten Zickzack-Streifen.rnDie Dotierung von GNR beinhaltet die Synthese von monomeren Bausteinen bei denen, im Gegensatz zu ihren reinen Kohlenstoffhomologen, definierte Positionen am Rand mit zwei oder vier Stickstoff- beziehungsweise zwei Schwefelatomen ersetzt wurden. Die Synthese atompräziser GNR konnte mit verschiedenen experimentellen Methoden analysiert und anschaulich über STM visualisiert werden. Neben einer n-Dotierung gelang so auch erstmals eine Bottom-Up-Synthese von schwefeldotierten GNR. Eine mögliche Anwendung in der Nanoelektronik aufbauend auf dotierten GNR wurde bestätigt, indem durch Co-Polymerisation von stickstoffhaltigen mit reinen Kohlenstoffmonomeren Heteroschnittstellen zwischen dotierten und undotierten Bereichen hergestellt werden konnten. Solche Heteroschnittstellen sind fundamentale Grundlage von Dioden und damit Basis einer Vielzahl elektronischer Elemente wie Solarzellen oder Leuchtdioden.rnWährend für halbleitende GNR mit einer Armlehnen-Form ein breites Spektrum an organischen Syntheseprotokollen zur Verfügung stand, existierte zu Beginn dieser Arbeit keines für GNR mit Zickzack-Struktur. Innerhalb dieser Arbeit konnte eine Bottom-Up-Synthese zur Erschließung stickstoffdotierter GNR mit Zickzack-Randstruktur erarbeitet werden. Durch die Verwendung eines (2-Hydroxymethyl)phenylboronsäureesters werden Hydroxymethylsubsituenten entlang eines Polyphenylenrückgrats eingebaut, die nach Kondensation mit dem Stickstoffatom eine Zickzack-Kante ergeben. Innerhalb der synthetisierten Zielstrukturen kann das 9a-Azaphenalen als letztes, bislang nicht erschlossenes Isomer der Azaphenalene, als wiederkehrende Struktur, gefunden werden. Die Reaktivität der Zickzackkante konnte zudem zum Aufbau einer Vielzahl bislang unzugänglicher, polycyclischer Heteroaromaten über 1,3-dipolare Addition dieses polycyclischen Azomethin Ylides (PAMY) genutzt werden.rn
This thesis extends the bottom-up synthesis of atom precise graphene nano ribbons (GNRs) of mainly two novel chemical concepts: On the one hand doping of semiconducting GNRs with heteroatoms such as sulfur and nitrogen. On the other hand a method for the solution based synthesis of nitrogen doped GNR with zigzag-edge peripheries.Doping of GNRs was achieved by monomer synthesis, in which carbon atoms are substituted by two to four nitrogen or two sulfur atoms at defined posititions in the periphery. The synthesis of atom precise GNRs was analyzed by several experimental methods and visualized by scanning tunneling microscopre (STM). In addition to n-type nitrogen containing GNRs, the synthesis of sulfur doped GNRs was shown for the first time. A possible application to nanoelectronics based upon GNRs was confirmed by copolomerisation of pristine and doped monomers to fabricate heterojunctions. Heterojunctions are fundamental to many electronic devices such as solar cells and light emitting diodes.In contrast to the synthesis of semiconduction GNRs with an armchair edge, none existed for those terminated by zigzag edges. Within this thesis a bottom-up synthesis of nitrogen doped GNRs with zigzag edge peripheries was established. Using (2-Hydroxymethylphenyl)boronic acids allows to selectively introduce hydroxymethyl substituents along an polyphenylene backbone. After intramolecular condensation with the nitrogen atom a doped zigzagd edge is formed. These structures are based on 9a-azaphenalen as repeating unit, which is formally the last isomer of the azaphenalene series. In addition the high chemical reactivity of such nitrogen doped zigzag edges was utilized for the construction of so far unprecedented nitrogen containing polycyclic heteroaromatics by 1,3-dipolar cycloaddition reaction with electron poor dipolarophiles.
DDC: 540 Chemie
540 Chemistry and allied sciences
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: Externe Einrichtungen
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-1554
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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