Molekulare fluoreszenzaktive Polysilane

Mit einem Marktanteil von über 90 % ist kristallines Silizium das heutzutage weltweit meistgenutzte Halbleitermaterial. Aufgrund seiner indirekten elektronischen Bandstruktur zeigt es jedoch nur schwache Luminiszenz und ist daher für die Anwendung in lichtemittierenden Dioden oder Lasern praktisch ungeeignet. Im Gegensatz dazu besitzen lineare oder verzweigte Polysilylene mit ein- oder zweidimensionalen bzw. schichtförmigen Strukturen eine direkte Bandstruktur und teils intensive Photo- und Elektroluminiszenz. Besonders Siloxen, ein polymerer, schichtförmig strukturierter Feststoff mit einer Summenformel Si 6 H6-n (OH)n besitzt aufgrund seiner intensiven sichtbaren Luminiszenz beträchtliches Potential für die Verwendung in lichtemittierenden Bauelementen. Aufgrund der Unlöslichkeit von Siloxen in organischen Lösungsmitteln und seiner mechanischen Eigenschaften erwiesen sich jedoch sowohl die strukturelle Charakterisierung des Materials als auch die detaillierte Untersuchung seiner photophysikalischen Eigenschaften als äußerst problematisch. In früheren Untersuchungen konnten wir zeigen, daß auch aus Cyclosilanylsubeinheiten aufgebaute polymere Polysiloxane mit zweidimensionalen, siloxenähnlichen Strukturen und molekulare sauerstoffhältige Cyclohexasilane des Typs Si 6 Me 12-n (OSiR3 ) (R = Alkyl) teils intensive Photoluminiszenz zeigen. Neue, luminiszenzaktive Stoffe auf Siliziumbasis mit ausreichender Löslichkeit und verbesserten mechanischen Eigenschaften sollten somit ausgehend von passend substituierten Cyclopolysilanringen zugänglich sein. Um die beobachteten ungewöhnlichen Luminiszenzeigenschaften genauer verstehen und somit auf eine breitere Basis stellen zu können, sind jedoch weiterführende Studien notwendig, die Inhalt des gegenständlichen Forschungsprojektes sein sollen. Von besonderem Interesse ist dabei einerseits der Einfluß der Ringgröße sowie des Substitutionsmusters auf die Photoluminiszenz von sauerstoffhaltigen Cyclopolysilanen, andererseits das Luminiszenzverhalten von löslichen, strukturell genau definierten oligomeren Polysiloxanen mit schicht- und leiterförmigen Strukturen. Dazu sollen im ersten Teil des geplanten Projektes entsprechende, zum Großteil noch unbekannte Modellsubstanzen (Cyclopenta- und Cyclohexasilanderivate) gezielt dargestellt und strukturell charakterisiert werden sowie lösliche, strukturell genau definierte schicht- und leiterförmige Polysiloxane aus diesen cyclischen Grundeinheiten aufgebaut werden. Den Schwerpunkt des zweiten Projektteiles soll dann die detaillierte Untersuchung der photophysikalischen Eigenschaften (Absorptions- und Luminiszenzspektren, Quantenausbeuten, Abklingzeiten etc.) dieser Modellverbindungen mit Hilfe experimenteller und rechnerischer Methoden bilden.

Mit einem Marktanteil von über 90 % ist kristallines Silizium das heutzutage weltweit meistgenutzte Halbleitermaterial. Aufgrund bestimmter physikalischer Eigenschaften (indirekte elektronische Bandstruktur) zeigt es jedoch nur schwache Lumineszenz und ist daher für die Anwendung in lichtemittierenden Dioden oder Lasern praktisch ungeeignet. Spezielle Siliziumverbindungen mit ketten-, ring- oder schichtförmigen Strukturen (Poly- und Cyclopolysilane) zeigen hingegen teils intensive Photo- und Elektrolumineszenz, der naturgemäß großes Interesse in Hinblick auf die Entwicklung neuartiger elektronisch aktiver Materialien entgegengebracht wird. Ziel dieses Projektes war es, solche Substanzen gezielt herzustellen und ihre Eigenschaften in Hinblick auf die Absorption sowie Emission von Licht im Detail zu untersuchen, wobei besonderes Augenmerk auf den Einfluss gezielter struktureller Variationen (Struktur-Wirkungsbeziehung) gelegt werden sollte. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchungen konnte gezeigt werden, dass sich die Lichtabsorption und -emission von Cyclopolysilanen durch die Anlagerung von bestimmten sauerstoffhältigen Gruppen sowie durch die Ausbildung käfigförmiger dreidimensionaler Strukturen deutlich intensivieren lassen. Dafür wurden nicht nur zahlreiche neuartige Modellsubstanzen mit genau definierter Struktur und Zusammensetzung erfolgreich dargestellt, sondern es ist auch gelungen, durch eine Kombination von experimentellen und rechnerischen Methoden detaillierte Einblicke in den Mechanismus von Lichtabsorption und -emission in Cyclopolysilanen auf molekularer Ebene zu erhalten.