Time-resolved Photoluminescence and Theoretical Study of Excitons in PTCDA

• Main Author: Kobitski, Andrei
• Other Authors: TU Chemnitz, Fakultät für Naturwissenschaften
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: Universitätsbibliothek Chemnitz 2003
• Subjects: ddc:530; Dichtefunktionalformalismus; Exzitonenspektrum; Organischer Halbleiter; Photolumineszenzspektroskopie
• Online Access: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200300559; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200300559; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4676/data/Kobitski_PhD_thesis.pdf; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4676/data/HERAEUS/anthracene_freq_b3lyp321.out; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4676/data/HERAEUS/g98_results.tar.gz; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4676/data/.bash_logout; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4676/data/.bash_profile; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4676/data/.bashrc; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4676/data/.cshrc; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4676/data/.login; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4676/data/.logout; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4676/data/.wmrc; http://www.qucosa.de/fileadmin/data/qucosa/documents/4676/20030055.txt

Im Rahmen dieser Arbeit wurden Exzitonen in molekularen Kristallen mittels zeitaufgelöster Photolumineszenz (PL) und theoretischer Berechnungen studiert. Zeitaufgelöste PL - Untersuchungen an einzelnen PTCDA - Kristallen und dünnen Filmen wurden im Zeitfenster bis zu 100 ns und in einem variablen Temperaturbereich von 10 bis 300 K durchgeführt. Die ermittelten PL - Spektren können durch überlappende Rekombinationkanäle mit zeitlich exponentiellem Abfall von beschrieben werde, die verschieden Typen von Exzitonen wie Frenkel - Exziton, Ladungstransfer - Exziton (CT), Excimer und Monomer entsprechen. Alle Exzitonen wurde quantitativ in bezug auf ihre Positionen, Linienformen und Zerfallszeiten charakterisiert. Durch Analyse der PL - Spektren bei verschiedenen Temperaturen wird der dominierende Beitrag des Frenkel - und des CT - Exzitons zur Rekombination bei niedrigen Temperaturen nachgewiesen, während der Excimer - Beitrag bei Raumtemperatur dominiert. Die gefundenen Lebenszeiten von Exzitonen sind viel langsamer als vorher für PTCDA berichtet. Ein schematisches Energie-Diagramm von Exzitonzuständen, die die Prozesse der Absorption, Relaxation und Rekombination beschreiben, wird vorgeschlagen. Die entsprechende k-Raum - Dispersion der Frenkel - Exzitonen zusammen mit den externen Phononen und den drei tiefsten internen vibronischen Moden, wie in Resonanz - Ramanspektren beobachtet, sowie die Bildung von selbstgefangenen Exzitonen erklären die sehr hohe Stokes – Verschiebung, die zwischen Absorption und PL - Spektren beobachtet wird. Die quantenchemischen Berechnungen von Elektronenübergängen wurden für ein einzelnes PTCDA - Molekül und für verschiedene Typen von PTCDA - Dimeren durchgeführt. Die Berechnungen von vibronischen Moden eines einzelnen Moleküls und der Verformung im relaxierden angeregten Zustand zeigen gute Übereinstimmung mit der beobachteten Absorption von Molekülen in Lösung und dem unter Resonanzbedingung gemessenen Ramanspektren von dünnen Filmen. Mit den zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie - Berechnungen von vertikal gepackten und coplanaren Dimeren wurde die Bestimmung der intermolekularen Wechselwirkung und die Kalibrierung der Übergangsenergie durchgeführt. Weitere Berechnungen des verformten Dimers, z. B. Kation – Anion - Dimere und eines relaxieren angeregten Stapels, sagen Übergänge mit Energien von 1,80 1,63 und 1,75 eV, sehr nah den beobachteten Übergängen des Ladungstransfer - Exzitons und des Excimers voraus. Deshalb können diese Dimere als Modelle für selbstgefangene Exzitonen auf Molekularniveau betrachtet werden.