Exzitonlokalisierung durch Symmetriebrechung in organischen Halbleitern

Ziel dieser Arbeit ist es, ein fundamentales Verständnis exzitonischer Prozesse auf molekularer Ebene zu gewinnen. Dazu werden Moleküle, die aus π-konjugierten Oligomeren aufgebaut sind, sowohl im Ensemble als auch auf Einzelmolekülebene untersucht und charakterisiert. Diese Strukturen dienen als Modellsysteme für π-konjugierte Polymere, die in organischen Halbleiter-Bauteilen verwendet werden. Durch ihren definierten Aufbau lassen sich an den Modellsystemen Exzitonlokalisierung, Dipol-Dipol-Kopplung zwischen Chromophoren und der Einfluss der Morphologie auf die spektroskopischen Eigenschaften untersuchen. Diese unterschiedlichen Aspekte spielen eine zentrale Rolle für den effizienten Betrieb von Bauteilen der organischen Elektronik. In Akzeptor-Donor-Akzeptor-Molekülen wird gezeigt, dass die Exzitonlokalisierung innerhalb eines π-konjugierten Oligomers (Donor) durch den Energietransfer zu zwei unterschiedlichen Farbstoffen (Akzeptoren) charakterisiert werden kann. Es wird nachgewiesen, dass die Lokalisierung auf dem Oligomer durch Unterbrechung der π-Konjugation (explizite Symmetriebrechung) oder durch Selbstlokalisierung des Exzitons (spontane Symmetriebrechung) erfolgt. Die Arbeit zeigt, dass in den meisten Molekülen beide Symmetriebrechungsarten auftreten. Ein weiteres Projekt ist die Charakterisierung der Dipol-Dipol-Kopplung in unterschiedlichen Modellsystemen. Mit den durchgeführten Experimenten wird gezeigt, dass in schwach gekoppelten Chromophoren gerichteter Energietransfer in Form von Homo-FRET stattfindet. Demgegenüber ist in intermediär gekoppelten Systemen die Rollenverteilung von Donor und Akzeptor zufällig: Welches Chromophor emittiert, kann sich bei jeder Anregung ändern. In diesen Systemen laufen mehrere Energietransferschritte ab, bevor eine endgültige Lokalisierung des Exzitons stattfindet. Theoretische Berechnungen sagen vorher, dass es in gebogenen Chromophoren durch die Wechselwirkung des Exzitons mit Kernschwingungen zu einer Veränderung der spektroskopischen Eigenschaften kommt. Mit Molekülen, die unterschiedliche Chromophor-Verbiegungen aufweisen, können diese theoretischen Vorhersagen experimentell verifiziert werden. Die Wechselwirkung zwischen dem Exziton und den Kernen – auch Renner-Herzberg-Teller (R-H-T) Effekt genannt – führt zu einer Erhöhung der Fluoreszenzlebenszeit und zu einer Änderung der Peak-Verhältnisse zwischen elektronischem 0-0 Übergang und den vibronischen Übergängen. Außerdem wird zum ersten Mal experimentell gezeigt, dass es durch den R-H-T Effekt zu einer Depolarisierung der vibronischen Übergänge der Fluoreszenz kommt