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In dieser Dissertation werden die optischen, elektronischen, strukturellen und photophysikalischen Eigenschaften gekoppelter Systeme analysiert. Speziell werden heterogene Systeme untersucht, die als einen Hauptbestandteil organische Halbleiter enthalten. Organische Halbleiter sind konjugierte Verbindungen, die hauptsächlich aus Kohlenstoff bestehen und die im Festkörper charakteristische Eigenschaften von Halbleitern aufweisen, wozu eine signifikante Leitfähigkeit bei Raumtemperatur und die Fähigkeit zur Absorption und Emission von Licht gehören. Durch diese Eigenschaften stellen organische Halbleiter vielversprechende Materialien für den Einsatz in (opto-) elektronischen Bauelementen wie z.B. Solarzellen und Leuchtdioden dar. Für viele Anwendungen sind jedoch reine organische Halbleiter nicht besonders gut geeignet, unter anderem da sie im Allgemeinen eine relativ geringe Leitfähigkeit aufweisen. Deshalb sind in den letzten Jahren zunehmend gemischte, gekoppelte Materialen in den Fokus der Forschung gerückt, da diese vielversprechendere Eigenschaften als reine organische Halbleiter besitzen können. Um Eigenschaften zu erzielen, die über die Eigenschaften
der reinen Komponenten hinaus gehen, sind Kopplungen in diesen gemischten Systemen von entscheidender Bedeutung. Diese Kopplungen und die daraus resultierenden Eigenschaften sind jedoch nicht vollständig verstanden und bilden daher den Forschungsgegenstand dieser Dissertation.
In dieser Arbeit werden drei verschiedene Kategorien heterogener, gekoppelter Systeme
betrachtet, in denen verschiedene Arten von Kopplungen von besonderer Bedeutung sind.
Die Systeme der ersten Kategorie bestehen aus Donator-Akzeptor Mischungen organischer
Halbleiter, die in dünnen Filmen analysiert werden. Donator-Moleküle zeichnen sich durch
ein geringes Ionisationspotential (IP) und Akzeptor-Moleküle durch eine hohe Elektronenaffinität (EA) aus, wodurch bei gegebener elektronischer Kopplung ein Ladungstransfer zwischen diesen Molekülen stattfinden kann. Die Stärke der elektronischen Kopplung ist hierbei für die Art des Ladungstransfers bedeutsam. Verschiedene Ladungstransferarten sind z.B. für die Erhöhung der Leitfähigkeit organischer Halbleiter mittels Dotierung und für die Ladungstrennung in organischen Solarzellen von entscheidender Bedeutung. In dieser Dissertation werden die vier verschiedenen Kombinationsmöglichkeiten zweier Donator Materialien und zweier Akzeptor Materialien in gemischten dünnen Filmen systematisch untersucht. Mithilfe experimenteller und theoretischer Methoden wird gezeigt, dass verschiedene Ladungstransferarten
in diesen Filmen auftreten. Des Weiteren wird der Einfluss des IP und der EA, des Mischungsverhältnisses sowie der elektronischen Kopplung auf die Art des Ladungstransfers
aufgezeigt. Außerdem wird die Photophysik dieser Filme untersucht, wobei ein besonderes
Augenmerk auf die Singulett-Spaltung (SF, von engl. singlet fission) gelegt wird, die in den
reinen Donator Materialien nachgewiesen wurde. Dieser Prozess beschreibt die spontane
Umwandlung eines fotogenerierten Singulett Exzitons in zwei Triplett Exzitonen, der über
einen gekoppelten Triplet Paar Zustand verläuft. Mithilfe der SF könnte der Wirkungsgrad
organischer Solarzellen gesteigert werden. Zudem ist der Triplet Paar Zustand aufgrund
seiner Kopplung und seines Multi-Exzitonen Charakters von grundlegendem Interesse. Es
wird gezeigt, dass SF auch in Mischungen mit geringem Akzeptor Anteil auftritt, was die
Robustheit des SF-Prozesses verdeutlicht. Diese Robustheit ist für die tatsächliche Nutzung
der SF in organischen Solarzellen entscheidend. Zusätzlich wird bei tiefen Temperaturen eine
starke Emission aus dem Triplet Paar Zustand des einen Donator Materials festgestellt, was
aufgrund des Multi-Exzitonen Charakters dieses Zustandes ein interessantes Ergebnis ist,
welches als Ausgangspunkt für moderne quantenchemische Rechnungen dienen kann.
Die zweite Kategorie gekoppelter Systeme, die in dieser Arbeit diskutiert wird, umfasst organische dünne Filme auf Gittern aus plasmonischen Nanostrukturen. Diese Systeme eigenen sich hervorragend, um starke Licht-Materie Kopplung zu erforschen. Bei dieser Kopplungsart hybridisieren die elektronischen Anregungen im organischen Halbleiter mit den kollektiven Gitterresonanzen des plasmonischen Gitters, wodurch sich die Energieniveaus im organischen Halbleiter verschieben, was wiederum dessen photophysikalische und chemische Eigenschaften beeinflussen kann. In dieser Dissertation wird starke Licht-Materie Kopplung in polykristallinen Filmen auf plasmonischen Gittern, welche scharfe, kollektive Gitterresonanzen aufweisen, belegt. Die offene Struktur der plasmonischen Kavität sowie die gute Herstellbarkeit polykristalliner Filme sorgen für eine technologische Relevanz dieser Beobachtung. Zudem wurde ein System geschaffen, mit dessen Hilfe der theoretisch vorhergesagte Einfluss der starken Licht-Materie Kopplung auf die SF untersucht werden kann.
Als dritte Kategorie werden gekoppelte organisch-anorganische Halbleitersysteme in dieser
Dissertation erforscht. In diesen Materialien ist es möglich, die vorteilhaften Eigenschaften
beider Komponenten zu kombinieren und neue Eigenschaften zu kreieren. Hierfür ist ein elektronisches Koppeln der verschiedenen Materialien sowie die Beschaffenheit der Grenzfläche von entscheidender Bedeutung. Besonders vielversprechend sind hybride Materialien aus organischen Halbleitern und anorganischen Halbleiternanopartikeln, da sich die optischen und elektronischen Eigenschaften beider Komponenten gezielt modifizieren lassen. Zudem können die organischen Halbleiter chemisch an die Nanopartikel gebunden werden, wodurch ein chemisch gekoppeltes Netzwerk realisierbar ist. Die exakte Art der Bindung und die Anordnung der organischen und anorganischen Komponenten ist jedoch, trotz ihrer großen Bedeutung, noch weitgehend unerforscht. Daher werden diese beiden Aspekte in dieser Dissertation an zwei Modelsystemen detailliert untersucht, wodurch die Bindungsart sowie die Anordnung entschlüsselt wird. Zudem wird ein Einfluss dieser chemischen Bindung auf die optischen und photophysikalischen Eigenschaften der Systeme beobachtet, jedoch werden keine klaren Hinweise auf eine elektronische Kopplung gefunden, was die Komplexität dieser hybriden Systeme verdeutlicht. Prinzipiell könnten in solche organisch-anorganischen Hybridsysteme zum Beispiel auch SF-Materialien integriert werden, wodurch eine effektive Extraktion der Triplett Exzitonen vorstellbar ist.
Zusammengefasst wird in dieser Arbeit der Zusammenhang zwischen verschiedenen Kopplungsarten und den strukturellen, elektronischen, optischen und photophysikalischen Eigenschaften heterogener Systeme hergestellt. Die erlangten grundlegenden Erkenntnisse tragen zu einem besseren Verständnis dieser vielversprechenden Materialien bei, was einen wichtigen Schritt in Richtung ihrer technologischen Anwendung darstellt. |
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