Strukturbildung und Kristallinität von Poly(3-Hexylthiophen) im Volumen und in dünnen Filmen

Abstract

Die Arbeit befasst sich zunächst mit der Anwendbarkeit von Röntgenmethoden zur Bestimmung der Kristallinität vonPoly(3-Hexylthiophen) (P3HT) als Modellsystem seitenkettensubstituierter Polymere. Mittels Röntgenweitwinkelstreuung werden für die Kristallinität makroskopisch großer P3HT Proben Werte zwischen 70-80% bei Raumtemperatur erhalten. Diese Werte dienen der Kalibrierung des Referenzwertes einer 100% kristallinen P3HT Probe für die Dynamische Differenz-Kalorimetrie (DSC). Anhand von Röntgenweitwinkelmessungen unter streifendem Einfall wird ein Modell für die vertikale Schichtstruktur schmelzkristallisierter P3HT Filme auf amorphen Substraten entwickelt. An der Filmoberfläche befindet sich eine Schicht hochorientierter Kristallite. Für hinreichend dicke Filme (>100 nm) liegt darunter im Filmvolumen eine Schicht regellos orientierter Kristallite. Mit ultraschneller Kalorimetrie wird die Kristallinität der P3HT Filme direkt bestimmt. Für weniger als 350 nm dicke Filme verringert sich die Kristallinität im Vergleich zur Volumenkristallinität kontinuierlich mit der Filmdicke.

In the first part of the thesis we discuss the applicability of x-ray methods to determine the crystallinity of Poly (3-Hexylthiophen) (P3HT) asa model system for side chain substituted polymers. By means of wide-angle x-ray scattering we obtain crystallinities for bulk P3HT samples at room temperature ranging from 70 to 80%. These values are used to calibrate the reference melting enthalpy of a 100% crystalline P3HT material needed to determine the crystallinity with differential scanning calorimetry (DSC). Based on grazing incidence x-ray diffraction experiments we propose a model for the vertically layered morphology of melt-crystallized thin P3HT films on amorphous substrates. The films show stronglyoriented crystalline structures at the film surface. Additionally, for sufficiently thick films alayer containing unoriented crystals is present below the surface layer. Using fast scanning calorimetry we determined the crystallinity of the P3HT films. Starting from the bulk value for about 350 nm thick films the crystallinity continuously decreases as a function of film thickness.