Design and Synthesis of Novel Compounds Based on Donor-Acceptor Systems and the Applications of Their Conducting Polymers

Abstract

Conducting polymers continues to facinate many scientists and to become the subject of many researchs in technological and academic areas. The reason for the popularity of the conducting polymers is that they trigger the development of advanced technological materials. Bearing in mind that, desired properties (processability, stability, conductivity, optical properties and so on) of these materials depend on the design and the synthesis of starting monomers. The conducting polymers obtained from the marvellous monomers can be amenable to practical use: (bio)sensors, artificial muscles, displays, electrochromic, memory and photovoltaic devices, supercapacitors, solar cells, light emitting diodes, etc. In this study, the design, synthesis and chemical and/or electrochemical polymerization of monomers (1-6) which are necessary for the generation of processable, low band gap, environmetally stable, reversible electronic and optical properties during n- and p-type dopings, fast switching of the electronic states and different hues of various colors and novel conducting polymers based on donor-acceptor-donor system. Selenium and/or oxygen atoms will be used instead of sulfur atom in benzothiodiazole unit known as acceptor unit in literature. When compared to sulfur, selenium is less electronegative and has larger size, which will obviously affect the electronic and optical properties of obtained conducting polymers. The polymers can be used as RGB (red, green, blue) displays due to green color in its neutral state and transparency in its oxidized state, as supercapacitors due to large and fast doping/dedoping capability, as solar cells due to absorption bands in the region of UV-vis, as photovoltaic devices and radar system due to the high absorption/transmittance values and the emission bands beyond NIR region, as antistatic coatings due to high transparency in the oxidized state, and as n-/p-type transistors due to their reversible and stable n- and p-type dopings. Also, some pre-works on the monomers studied in this project showed that one of the conducting polymers has green color and the modification on the monomer structure of this polymer can open a new door for the discovery of cyan color in the CMY (cyan, magenta, yellow) color system. In this project, initially the monomers (1-6) mentioned above, which is the basic unit for the polymers to be useful in the desired applications, wil be designed, synthesized and characterized. After the characterization of the monomers (by NMR, elemental analysis, FTIR, mass, UV-vis, X-Ray and voltammetric techniques), they will be polymerized into suitable medium via chemical and/or electrochemical polymerization methods. Then, the electronic and optical properties of the obtained conducting polymers will be characterized to be amenable for use in RGB displays, solar cells, supercapacitors, photovoltaic devices, transistors and so on).

İletken polimerler hala birçok bilim insanını büyülemeye devam etmekte, hem teknolojik Ar-Ge çalışmalarının hem de akademik çevrelerin araştırma konusu olmayı sürdürmektedir. İletken polimerlerin bu popülaritesinin nedeni potansiyel kullanım alanları ve yeni ileri teknolojik malzemelerin gelişmelerine ön ayak olmalarıdır. Unutulmamalıdır ki, bu tür malzemelerin sahip olması istenilen özellikler (işlenebilirlik, kararlılık, iletkenlik ve optiksel özellikler vesaire) polimerlerin başlangıç birimlerinin (monomerler) amaca yönelik olarak tasarlanmasına ve sentezlenmesine bağlıdır. Günümüzde tasarım harikaları olan monomerlerden elde edilen iletken polimerler kendilerine bir çok kullanım alanı bulabilmektedirler: (biyo)sensörler, yapay kaslar, ekranlar, elektrokromik, hafıza ve fotovoltaik cihazlar, süperkapasitörler, solar hücreler, ışık yayan diyotlar vesaire. Bu çalışmada, literatürde bilinmeyen, donör-akseptör-donör (donor-acceptor-donor) düzeninde tasarlanmış, işlenebilir, düşük bant aralığına sahip, açık hava ortamında kararlı, tersinir olarak elektronik ve optiksel özelliklerini p-tipi ve n-tipi katkılandırılmaları sonrasında dahi koruyabilen, kısa zaman içerisinde farklı redoks hallerine, farklı renklere ve tonlarına anahtarlanabilen (switching) elektrokromik yeni polimerler ve ilgili monomerlerin (1-6) tasarımı, sentezlenmesi, kimyasal ve/veya elektrokimyasal yöntemlerle polimerleştirilmesi ve uygulamaları üzerinde durulacaktır. Literatürde akseptör birim olarak bilinen benzotiyodiazol ünitesindeki kükürt atomu selenyum ve/veya oksijen atomları ile yer değiştirilecektir. Örneğin, kükürt ile karşılaştırıldığında daha az elektronegatif ve daha büyük bir atom olan selenyumun elde edilen iletken polimerin elektronik ve optik özelliklerine kuşkusuz büyük bir etkisi olacaktır. Çok yönlü olarak kullanılması düşünülen polimerlerin nötr halinde yeşil renkleri ve yükseltgen hallerinde şeffaf-geçirgen olmalarından dolayı RGB (red-kırmızı, green-yeşil, blue-mavi) ekranlarda, yüksek ve hızlı şarj/deşarj edilebilmelerinden dolayı süperkapasitörlerde, görünür dalga boylarında 2 veya 3 soğurma bantları olduğundan solar hücrelerde, yakın kızılötesi (NIR) bölgesinde emisyonları ve soğurma bantları olduğundan fotovoltaik cihazlarda, termal sistemlerde veya radar benzeri sistemlerden korunmak için, yükseltgen halde kararlılıkları ve şeffaflıklarından dolayı antistatik kaplamalarda ve son olarak kararlı ve nadir olan n-tipi ve p-tipi katkılandırılma yetilerinden dolayı da n,p-transistörlerinde kullanılmaları mümkün olacaktır. Buna ilaveten ön çalışmalarda nötr halde yeşil renge sahip polimerin başlangıç biriminde düşünülen yapısal değişikliklerle de CMY (cyan-camgöbeği, magenta-mor, yellow-sarı) renk sisteminde eksik olan camgöbeği renginin bulunması bu monomerleri ve polimerlerini çok değerli kılacaktır. Çalışmada ilk amaç, yukarıda bahsi geçen uygulama alanlarında kullanılabilecek polimerlerin sentezi için gerekli monomerlerin (1-6) tasarımlarının yapılıp, sentezlenmesi ve tanımlanmasıdır. Monomerlerin yapı özellikleri (NMR, elementel analiz, FTIR, kütle, UV, X-Ray ve voltametrik teknikler ile) deşifre edildikten sonra uygun ortamlarda kimyasal ve/veya elektrokimyasal yöntemlerle polimerleştirilmeleri ve amaca yönelik olarak kullanılabileceği düşünülen uygulama alanları (RGB ekranlar, solar hücreler, süperkapasitörler, fotovoltaik cihazlar, radar, transistörler vesaire) için gerekli elektronik ve optiksel tanımlanmaları yapılacaktır.