Zugl.: Tübingen, Univ., Diss., 2009

Im Rahmen der Diplomarbeit wurde das Bleichverhalten der organischen Fluoreszenzfarbstoffe Rhodamin 6G und DCM untersucht. Dazu wurden Absorptionsmessungen sowie spektroskopische und mirkoskopische Verfahren angewandt. Es konnte auf Ensembleebene sowie durch Statistiken für einzelne Moleküle gezeigt werden, dass ein reversibler und eine irreversibler Anteil des Bleichens existieren und sich diese Experimentell voneinander trennen lassen.

In dieser Doktorarbeit wurde gezeigt, dass die sehr begehrte J-Aggregation funktionaler Perylenbisimid-Chromophore durch geeignetes Design der monomeren Bausteine erreicht werden kann. Hierzu war einerseits die Selbstanordnung durch ein Zusammenwirken von Wasserstoffbrücken und Pi-Pi-Wechselwirkungen zu begünstigen, und andererseits eine Anordnung in kolumnaren Stapeln zu verhindern, was durch Kern-Verdrillung mittels sterisch anspruchsvollen Substituenten gelang. Desweiteren gaben Selbstanordnungsstudien neue Einblicke in den dynamischen Aggregationsprozess niedrigdimensionaler langgestreckter Aggregate mit stark exzitonisch gekoppelten Chromophoren. Die Beziehung zwischen bekannten Cyaninfarbstoffen, wie der von THIATS mit dem vorliegenden PBI 1a wurde durch Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie bei Tieftemperaturen von 5 K bis Raumtemperatur untersucht. Die vormals beispiellosen funktionalen Eigenschaften der PBI-Aggregate, welche aus der J-artigen exzitonischen Kopplung herrühren, sind vielversprechend für die Anwendung in optoelektronischen Bauteilen und für die Photovoltaik. / In conclusion, the present thesis demonstrates that the highly desired J-type aggregation of functional perylene bisimide chromophores can be achieved by proper design of monomeric building blocks that direct self-assemble by mutual effects of hydrogen bonding and pi-pi interaction, and on the other hand, are prevented to assemble in columnar stacks owing to their twisted pi-conjugated core and sterically demanding substituents. Furthermore, the self-assembly studies gave new insights into the dynamic aggregation process of low-dimensional extended assemblies with strongly excitonically coupled chromophores. The relationship between commonly known cyanine dye aggregates like that of THIATS and that of the present PBI 1a was investigated by absorption and fluorescence spectroscopy at low temperatures down to 5 K. The formerly unprecedented functional properties of PBI aggregates that are expressed in J-type excitonic coupling hold promise for application in optoelectronic and photovoltaic devices.

The electronic and geometrical structure of single difluoro-bora-1,3,5,7-tetraphenyl-aza-dipyrromethene (aza-BODIPY) molecules adsorbed on the Au(111) surface is investigated by low temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy in conjunction with ab initio density functional theory simulations of the density of states and of the interaction with the substrate. Our DFT calculations indicate that the aza-BODIPY molecule forms a chemical bond with the Au(111) substrate, with distortion of the molecular geometry and significant charge transfer between the molecule and the substrate. Nevertheless, most likely due to the low corrugation of the Au(111) surface, diffusion of the molecule is observed for applied bias in excess of 1 V. / Dieser Beitrag ist mit Zustimmung des Rechteinhabers aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit dem Fluoreszenzverhalten, speziell der Fluoreszenzlebensdauer, von BODIPY-Farbstoffen in Polymerlösungsmittelgemischen mit unterschiedlicher Polymerkonzentration sowie in Polymerfilmen bei unterschiedlichen Temperaturen. Dazu werden zunächst die Synthesen von vier verschiedenen BODIPY-Fluorophoren mit einem Phenylsubstituent in meso-Position aufgezeigt. Dahingehend wurde eine Synthesestrategie entwickelt, um eine einzelne Polypropylenkette an diese Farbstoffsysteme anzubinden. Dabei soll aufgezeigt werden, dass die Länge des Substituenten am Phenylsubstituenten am chromophoren Kern maßgeblich das Fluoreszenzverhalten der Sonde beeinflusst. BODIPY-Farbstoffe mit makromolekularen Substituenten zeigen im Vergleich zu Derivaten mit kürzeren Substituenten eine deutlich größere Fluoreszenzlebensdauer und eine nicht so stark ausgeprägte Temperaturabhängigkeit. Mehrere Zeitkomponenten der Fluoreszenzlebensdauer der Fluorophore in reinem Polypropylen bzw. deren Mehrkomponentensystemen (Polyethylenpropylen Copolymer oder Kraton) im Vergleich zu reinen Lösungsmitteln (Toluol oder Dodecen) deuten dabei auf lokale Heterogenitäten im Material hin. Außerdem wird der Einfluss der Viskosität auf die Fluoreszenzlebensdauer in Polymer/Lösungsmittelgemischen mit unterschiedlicher Polymerkonzentration untersucht und die Rolle des Wasserstoffbrückennetzwerkes zwischen den Polymer- und Lösungsmittelmolekülen diskutiert.

I present a new approach to stable n-type doping of organic matrices using organic dopants. In order to circumvent stability limitations of strong organic donors, I produce the donor from a stable precursor compound in situ. As an example, the cationic dye pyronin B chloride is studied as a dopant in an 1,4,5,8-naphthalene tetracarboxylic dianhydride (NTCDA) matrix. A field effect and conductivity study of a series of doped NTCDA samples is carried out. It proves the increase of the electron density with the doping concentration. Conductivities up to 1.9*10^-4 S/cm are obtained for doped NTCDA, which is two orders of magnitude higher than the conductivity of NTCDA doped with (bis(ethylenedithio)-tetrathiafulvalene (BEDT- TTF) as investigated previously [A. Nollau, M. Pfeiffer, T. Fritz, K. Leo, J. Appl. Phys. 87, 4340 (2000)], and four orders of magnitude higher than nominally undoped NTCDA films. The experimental trends in the field effect study are interpreted in terms of transport in disordered solids. Detailed mass spectroscopic investigation are carried out to investigate the sublimation behaviour of the organic salt pyronin B chloride. We conclude that mainly HCl and the leuco base of pyronin B is present in the gas phase. Optical absorption spectroscopy shows that the leuco base is transformed to the pyronin B cation in air. A similar reaction is observed for mixed thin films of pyronin B and tetracyano quinodimethane. This supports the image of the doping process being due to an electron transfer from the pyronin to the matrix molecules. The formation of the leuco base and subsequent oxidation to the pyronin B cation is supported by Fourier transform infrared (FTIR) absorption spectroscopy. Doping experiments with other matrices reveal that the doping effect is universal for all materials of moderate acceptor strength. Matrices such as perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dimethyl diimide (Me-PTCDI) and fullerene C60 can be successfully doped. These compounds are frequently employed electron transport materials in organic solar cells. Therefore, such devices can be improved by this new doping approach. / In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur n-Dotierung organischer Dünnschichten mit organischen Dotanden vorgestellt. Die bisher zur n-Dotierung benötigten starken Donormoleküle zeigen eine hohe Reaktivität. Dies erschwert die Synthese und weiterhin die Verwendung solcher Verbindungen als Dotanden. Zur Vermeidung dieser Stabilitätsprobleme wird in dieser Arbeit der reaktive Dotand in situ aus einer stabilen Vorläüuferverbindung erzeugt. Beispielhaft wird der kationische Farbstoff Pyronin B Chlorid als Dotand in einer 1,4,5,8-Naphthalen Tetracarbonsäure Dianhydrid (NTCDA)-Matrix untersucht. Feldeffekt- und Leitfähigkeitsuntersuchungen an einer Serie von dotierten Dünnschichten werden durchgeführt. Eine Erhöhung der Elektronendichte mit der Dotierkonzentration wird gefunden. Dies führt zu Leitfähigkeiten von bis zu 1.9*10^-4 S/cm, d.h. vier Größenordnungen höher als undotiertes NTCDA und zwei Größenordnungen höher als das früher untersuchte NTCDA, dotiert mit Bis(Ethylendithio)-Tetrathiafulvalen (BEDT- TTF) [A. Nollau, M. Pfeiffer, T. Fritz, K. Leo, J. Appl. Phys. 87, 4340 (2000)]. Die Abhängigkeiten der elektrischen Kenngrößen Leitfähigkeit, Beweglichkeit und Ladungsträgerdichte werden anhand eine Modells erklärt, das den Transport in ungeordneten Systemen beschreibt. Massenspektrometrische Untersuchungen werden zur Untersuchung des Verdampfungsverhaltens des organischen Salzes Pyronin B Chlorid eingesetzt. Es wird gefunden, daß Pyronin B Chlorid durch Bildung von HCl und der Leukobase des Pyronins in die Gassphase übergeht. In der optische Absorptionsspektroskopie ist die Transformation der Leukobase unter Lufteinfluß in das Pyronin B-Kation zu beobachten. Das gleiche Verhalten wird für Mischschichten aus Pyronin B und Tetracyano Chinodimethan gefunden. Dies bestätigt die Vorstellung des Dotierprozesses als Elektronentransfer vom Pyronin B zum Matrixmolekül. Die Bildung der Leukobase und die anschlie\ss ende Oxidierung zum Pyronin B-Kation ist auch in der Infrarotspektroskopie sichtbar. Der Dotiereffekt ist nicht auf NTCDA beschränkt, sondern wird auch für andere Matrizen mit genügend hoher Elektronenaffinität gefunden. Matrixmaterialien wie z.B. Perylen-3,4,9,10-Tetracarbonsäure Dimethyldiimid (Me-PTCDI) und Fulleren C60 werden erfolgreich dotiert. Sie werden üblicherweise in organischen Solarzellen eingesetzt. Durch den hier demonstrierten Ansatz können folglich solche Bauelemente verbessert werden.

The history of silicon technology showed that controlled doping was a key step for the realization of e®ective, stable and reproducible devices. When the conduction type was no longer determined by impurities but could be controlled by doping, the breakthrough of classical microelectronics became possible. Unlike inorganic semiconductors, organic dyes are up to now usually prepared in a nominally undoped form. However, controlled and stable doping is desirable in many organic-based devices as well. If we succeed in shifting the Fermi level towards the transport states, this could reduce ohmic losses, ease carrier injection from contacts and increase the built-in potential of Schottky- or pn-junctions.

The history of silicon technology showed that controlled doping was a key step for the realization of e®ective, stable and reproducible devices. When the conduction type was no longer determined by impurities but could be controlled by doping, the breakthrough of classical microelectronics became possible. Unlike inorganic semiconductors, organic dyes are up to now usually prepared in a nominally undoped form. However, controlled and stable doping is desirable in many organic-based devices as well. If we succeed in shifting the Fermi level towards the transport states, this could reduce ohmic losses, ease carrier injection from contacts and increase the built-in potential of Schottky- or pn-junctions.

I present a new approach to stable n-type doping of organic matrices using organic dopants. In order to circumvent stability limitations of strong organic donors, I produce the donor from a stable precursor compound in situ. As an example, the cationic dye pyronin B chloride is studied as a dopant in an 1,4,5,8-naphthalene tetracarboxylic dianhydride (NTCDA) matrix. A field effect and conductivity study of a series of doped NTCDA samples is carried out. It proves the increase of the electron density with the doping concentration. Conductivities up to 1.9*10^-4 S/cm are obtained for doped NTCDA, which is two orders of magnitude higher than the conductivity of NTCDA doped with (bis(ethylenedithio)-tetrathiafulvalene (BEDT- TTF) as investigated previously [A. Nollau, M. Pfeiffer, T. Fritz, K. Leo, J. Appl. Phys. 87, 4340 (2000)], and four orders of magnitude higher than nominally undoped NTCDA films. The experimental trends in the field effect study are interpreted in terms of transport in disordered solids. Detailed mass spectroscopic investigation are carried out to investigate the sublimation behaviour of the organic salt pyronin B chloride. We conclude that mainly HCl and the leuco base of pyronin B is present in the gas phase. Optical absorption spectroscopy shows that the leuco base is transformed to the pyronin B cation in air. A similar reaction is observed for mixed thin films of pyronin B and tetracyano quinodimethane. This supports the image of the doping process being due to an electron transfer from the pyronin to the matrix molecules. The formation of the leuco base and subsequent oxidation to the pyronin B cation is supported by Fourier transform infrared (FTIR) absorption spectroscopy. Doping experiments with other matrices reveal that the doping effect is universal for all materials of moderate acceptor strength. Matrices such as perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic dimethyl diimide (Me-PTCDI) and fullerene C60 can be successfully doped. These compounds are frequently employed electron transport materials in organic solar cells. Therefore, such devices can be improved by this new doping approach. / In dieser Arbeit wird ein neuer Ansatz zur n-Dotierung organischer Dünnschichten mit organischen Dotanden vorgestellt. Die bisher zur n-Dotierung benötigten starken Donormoleküle zeigen eine hohe Reaktivität. Dies erschwert die Synthese und weiterhin die Verwendung solcher Verbindungen als Dotanden. Zur Vermeidung dieser Stabilitätsprobleme wird in dieser Arbeit der reaktive Dotand in situ aus einer stabilen Vorläüuferverbindung erzeugt. Beispielhaft wird der kationische Farbstoff Pyronin B Chlorid als Dotand in einer 1,4,5,8-Naphthalen Tetracarbonsäure Dianhydrid (NTCDA)-Matrix untersucht. Feldeffekt- und Leitfähigkeitsuntersuchungen an einer Serie von dotierten Dünnschichten werden durchgeführt. Eine Erhöhung der Elektronendichte mit der Dotierkonzentration wird gefunden. Dies führt zu Leitfähigkeiten von bis zu 1.9*10^-4 S/cm, d.h. vier Größenordnungen höher als undotiertes NTCDA und zwei Größenordnungen höher als das früher untersuchte NTCDA, dotiert mit Bis(Ethylendithio)-Tetrathiafulvalen (BEDT- TTF) [A. Nollau, M. Pfeiffer, T. Fritz, K. Leo, J. Appl. Phys. 87, 4340 (2000)]. Die Abhängigkeiten der elektrischen Kenngrößen Leitfähigkeit, Beweglichkeit und Ladungsträgerdichte werden anhand eine Modells erklärt, das den Transport in ungeordneten Systemen beschreibt. Massenspektrometrische Untersuchungen werden zur Untersuchung des Verdampfungsverhaltens des organischen Salzes Pyronin B Chlorid eingesetzt. Es wird gefunden, daß Pyronin B Chlorid durch Bildung von HCl und der Leukobase des Pyronins in die Gassphase übergeht. In der optische Absorptionsspektroskopie ist die Transformation der Leukobase unter Lufteinfluß in das Pyronin B-Kation zu beobachten. Das gleiche Verhalten wird für Mischschichten aus Pyronin B und Tetracyano Chinodimethan gefunden. Dies bestätigt die Vorstellung des Dotierprozesses als Elektronentransfer vom Pyronin B zum Matrixmolekül. Die Bildung der Leukobase und die anschlie\ss ende Oxidierung zum Pyronin B-Kation ist auch in der Infrarotspektroskopie sichtbar. Der Dotiereffekt ist nicht auf NTCDA beschränkt, sondern wird auch für andere Matrizen mit genügend hoher Elektronenaffinität gefunden. Matrixmaterialien wie z.B. Perylen-3,4,9,10-Tetracarbonsäure Dimethyldiimid (Me-PTCDI) und Fulleren C60 werden erfolgreich dotiert. Sie werden üblicherweise in organischen Solarzellen eingesetzt. Durch den hier demonstrierten Ansatz können folglich solche Bauelemente verbessert werden.

The photo-conversion efficiency and stability of back-illuminated dye sensitised solar cells with titanium foil based photoanodes are enhanced by a simple nitric acid treatment through which the foil is passivated. This treatment changes the morphology of the titanium foil and increases its electrochemical double layer capacitance.