Influence of Crystal Structure on Excited States in Crystalline Organic Semiconductors

• Main Author: Hammer, Sebastian Tobias
• Format: Doctoral Thesis
• Language: English
• Published: 2021
• Subjects: Organischer Halbleiter; Phthalocyanin; Pentacen; Ladungstransfer; Optoelektronik; ddc:530
• Online Access: https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/frontdoor/index/index/docId/24401; http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-244019; https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bvb:20-opus-244019; https://doi.org/10.25972/OPUS-24401; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/24401/Hammer_Sebastian_Dissertation_pdfA.pdf; https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/files/24401/Hammer_Sebastian_Dissertation.pdf

This thesis focused on the influence of the underlying crystal structure and hence, of the mutual molecular orientation, on the excited states in ordered molecular aggregates. For this purpose, two model systems have been investigated. In the prototypical donor-acceptor complex pentacene-perfluoropentacene (PEN-PFP) the optical accessibility of the charge transfer state and the possibility to fabricate highly defined interfaces by means of single crystal templates enabled a deep understanding of the spatial anisotropy of the charge transfer state formation. Transferring the obtained insights to the design of prototypical donor-acceptor devices, the importance of interface control to minimize the occurrence of charge transfer traps and thereby, to improve the device performance, could be demonstrated. The use of zinc phthalocyanine (ZnPc) allowed for the examination of the influence of molecular packing on the excited electronic states without a change in molecular species by virtue of its inherent polymorphism. Combining structural investigations, optical absorption and emission spectroscopy, as well as Franck-Condon modeling of emission spectra revealed the nature of the optical excited state emission in relation to the structural \(\alpha \) and \(\beta \) phase over a wide temperature range from 4 K to 300 K. As a results, the phase transition kinetics of the first order \(\alpha \rightarrow \beta\) phase transition were characterized in depth and applied to the fabrication of prototypical dual luminescent OLEDs. === Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der zugrunde liegenden Kristallstruktur und der damit einhergehenden molekularen Anordnung auf die angeregten Zustände in molekularen Aggregaten zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden zwei Modellsysteme ausgewählt. Der optisch anregbare und detektierbare Ladungstransferzustand im Donor-Akzeptor Komplex Pentacen-Perfluoropentacen (PEN-PFP) und die Möglichkeit, hoch definierte kristalline Grenzflächen herzustellen, ermöglichten detaillierte Einblicke in die räumlich anisotrope Ausbildung des Ladungstransferzustands. Durch Ausnutzen der gewonnenen Erkenntnisse beim Design von Bauteilen auf Basis dieser Donor-Akzeptor Grenzflächen konnte gezeigt werden, wie wichtig die morphologische Kontrolle ist, um das Auftreten von Fallenzuständen in Zusammenhang mit solchen Ladungstransferprozessen zu minimieren und damit die elektronischen Bauteileigenschaften zu verbessern. Für Zinkphthalocyanin (ZnPc) und dem ihm eigenen Polymorphismus konnte der Einfluss der molekularen Packung auf angeregte Zustände untersucht werden, ohne die chemische Struktur zu verändern. Durch die Kombination von Strukturuntersuchungen, optischer Absorptions- und Emissionsspektroskopie und Franck-Condon Modellierungen wurde der Ursprung der Emission der angeregten Zustände in der strukturellen \(\alpha \) und \(\beta \)Phase über einen großen Temperaturbereich von 4 K bis 300 K offen gelegt. Mithilfe der erlangten Einsichten wurde die Kinetik des \(\alpha \rightarrow \beta\) Phasenübergangs erster Ordnung charakterisiert und zur Herstellung von dual-lumineszenten OLEDs verwendet.