Polymer-nanoparticle composites : from orientation phenomena to optoelectronic applications

Abstract

Polymer-nanoparticle hybrids show synergistic effects, demonstrating both, the unique properties of nanosized structures and the good processability and functionalities of polymeric materials. This work shows the synthesis and application of block copolymers containing a soluble, functional block and a short anchor block, which efficiently binds to the surface of nanocrystals. We functionalized anisotropic, semiconducting nanoparticles, which can be dissolved in organic and polymeric matrices upon modification. The modified nanorods have the ability to form liquid crystalline phases, which behave similar to low molecular liquid crystals with a reversible clearing behaviour. These liquid crystalline phases could also be obtained in hole conducting matrices. For a macroscopic orientation of the nanorods, electric fields were applied and a switching (in analogy to known liquid crystals) to a homeotropic orientation was observed.rnBy introduction of dye molecules in the anchor block of a hole conducting block copolymer, all essential components of a solar cell can be combined in a single particle. Light absorption of the dye induces the injection of electrons into the particles, followed by a charging, that was monitored by a special AFM technique.rnLight emitting nanocrystals were functionalized analogously with a hole transporting polymer. The stability of the particles could be enhanced by the sterically stabilizing polymer corona and the particles showed improved properties in terms of processing. We applied these hybrid materials in light emitting devices, which showed better characteristics due to an improved hole injection and well dispersed emitting particles in the active device layer.rnThe work shows the broad spectrum of properties and applications based on the synergistic effects in hybrid and composite materials.

Hybridmaterialien aus Nanopartikeln und Polymeren vereinigen die einzigartigenrnEigenschaften von Nanostrukturen mit Polymereigenschaften, wie guter Löslichkeit und verschiedenen weiteren synthetisch einstellbaren Funktionen.rnDas Konzept dieser Arbeit basiert auf der Modifikation von Nanopartikeln mitrnBlockcopolymeren, die neben einem funktionellen, löslichkeitsvermittelnden Block einen Ankerblock enthalten, der effizient an die Oberfläche anorganischer Materialen anbinden kann. Anorganiche, anisotrope Nanomaterialien, die mit einem solchen Blockcopolymer sterisch stablisiert wurden, sind löslich in organischen Lösungsmitteln und Polymermatrizen. Auf grund der Anisotropie der Partikel bilden sich flüssigkristalline Phasen aus, die ähnliche Eigenschaften zeigen, wie molekulare Flüssigkristalle. Diese Phasen konnten auch mit halbleitenden Polymeren als Funktionalisierungs- und Matrixpolymer untersucht werden. In Analogie zu molekularen oder polymeren Flüssigkristallen konnte ein Schalten in elektrischen Feldern beobachtet werden. Die resultierende senkrechte Ausrichtung der Nanostäbe auf der Elektrode ist eine begehrte Morphologie für optoelektronischernAnwendungen.rnIn den Ankerblock eines halbleitenden Blockcopolymers konnten Farbstoffmolekülerneingebracht werden, so dass alle Komponenten einer Solarzelle an einem Partikel vereint werden konnten. Der Farbstoff kann nach der Absortption von Licht Elektronen in den Nanopartikel injizieren, so dass sich dieser auflädt.rnFluoreszierende Nanokristalle (Quantenpunkte) wurden ebenfalls mit einem halbleitenden Polymer modifiziert, wodurch die Stabilität als auch die Verarbeitungsmöglichkeiten des Materials verbessert werden konnten. Diese Hybridmaterialien wurde in Leuchtdioden angewendet, die durch eine verbesserte Injektion positiver Ladungsträger und die gute Dispersion der emittierenden Spezies, optimiert werden konnten.Diese Arbeit zeigt damit ein breites Spektrum an Eigenschaften und Anwendungen, die auf den synergistischen Effekten der hergestellten und untersuchten Hybrid – und Kompositmaterialien basieren.