Zugl.: München, Techn. Univ., Diss., 2010.

Fuer anorganische Kristalle werden die chemischen Bindungen durch kovalente oder ionische Beitraege dominiert. Im Gegensatz dazu stehen organische Molekuelkristalle, in denen in jedem der Molekuele starke kovalente Bindungen vorherrschen, waehrend die Molekuele untereinander nur relativ schwache Wechselwirkung zeigen. Daher sind die Veraenderungen zwischen den Spektren freier Molekuele und den entsprechenden Kristallen wesentlich geringer als die zwischen einem freien Atom und einem anorganischen Kristall. In einem organischen Kristall kann eine optisch erzeugte elektronische Anregung zwischen verschiedenen Molekuelen transferiert werden. Fuer das Modellsystem PTCDA (3,4,9,10-Perylentetracarbonsaeuredianhydrid) wurden die elektronischen und vibronischen Spektren analysiert und die aus dem Transfer der Anregung resultierende exzitonische Bandstruktur untersucht. Die optische Absorption erzeugt ein Frenkel-Exziton am Dispersionsmaximum in der Naehe des Gamma-Punktes in der Brillouin-Zone. Durch inelastische Streuvorgaenge relaxiert dieses Exziton zum Dispersionsminimum am Rand der Brillouin-Zone. Die Photolumineszenz bei tiefen Temperaturen entsteht daraus durch vertikale Rekombination, wobei der Endzustand eine vibronische Anregung mit endlichem Quasi-Impuls enthaelt. Die berechnete strahlende Rekombinationsrate und die Linienform der Photolumineszenzbande stimmen dabei gut mit den experimentellen Ergebnissen ueberein. Das Modell des Exzitonentransfers im Volumenmaterial kann auf Filme endlicher Dicke verallgemeinert werden, so dass sich die veraenderten optischen Eigenschaften duenner Filme beschreiben lassen. Durch die endliche Zahl der molekularen Monolagen in einem solchen Film ist das energetische Spektrum diskret, wobei die Einhuellenden der exzitonischen Wellenfunktionen entlang der Quantisierungsrichtung an die Zustaende in einem Quantentrog mit unendlich hohen Barrieren erinnern. Das Zusammenspiel von geometrischer Randbedingung und energetischer Lage des molekularen uebergangs in der Randschicht kann sowohl zu einer Rot- als auch zu einer Blauverschiebung der optischen Antwort fuehren.

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2003.

Fuer anorganische Kristalle werden die chemischen Bindungen durch kovalente oder ionische Beitraege dominiert. Im Gegensatz dazu stehen organische Molekuelkristalle, in denen in jedem der Molekuele starke kovalente Bindungen vorherrschen, waehrend die Molekuele untereinander nur relativ schwache Wechselwirkung zeigen. Daher sind die Veraenderungen zwischen den Spektren freier Molekuele und den entsprechenden Kristallen wesentlich geringer als die zwischen einem freien Atom und einem anorganischen Kristall. In einem organischen Kristall kann eine optisch erzeugte elektronische Anregung zwischen verschiedenen Molekuelen transferiert werden. Fuer das Modellsystem PTCDA (3,4,9,10-Perylentetracarbonsaeuredianhydrid) wurden die elektronischen und vibronischen Spektren analysiert und die aus dem Transfer der Anregung resultierende exzitonische Bandstruktur untersucht. Die optische Absorption erzeugt ein Frenkel-Exziton am Dispersionsmaximum in der Naehe des Gamma-Punktes in der Brillouin-Zone. Durch inelastische Streuvorgaenge relaxiert dieses Exziton zum Dispersionsminimum am Rand der Brillouin-Zone. Die Photolumineszenz bei tiefen Temperaturen entsteht daraus durch vertikale Rekombination, wobei der Endzustand eine vibronische Anregung mit endlichem Quasi-Impuls enthaelt. Die berechnete strahlende Rekombinationsrate und die Linienform der Photolumineszenzbande stimmen dabei gut mit den experimentellen Ergebnissen ueberein. Das Modell des Exzitonentransfers im Volumenmaterial kann auf Filme endlicher Dicke verallgemeinert werden, so dass sich die veraenderten optischen Eigenschaften duenner Filme beschreiben lassen. Durch die endliche Zahl der molekularen Monolagen in einem solchen Film ist das energetische Spektrum diskret, wobei die Einhuellenden der exzitonischen Wellenfunktionen entlang der Quantisierungsrichtung an die Zustaende in einem Quantentrog mit unendlich hohen Barrieren erinnern. Das Zusammenspiel von geometrischer Randbedingung und energetischer Lage des molekularen uebergangs in der Randschicht kann sowohl zu einer Rot- als auch zu einer Blauverschiebung der optischen Antwort fuehren.

This thesis deals with exciton relaxation processes in thin polycrystalline films and matrix-isolated molecules of the perylene derivatives PTCDA (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride) and MePTCDI (N,N'-dimethylperylene-3,4,9,10-dicarboximide). Using femtosecond pump-probe spectroscopy, transient absorption spectra, excitonic relaxation in the lowest excited state subsequent to excitation, and exciton-exciton interaction and annihilation at high excitation densities have been addressed. Transient absorption spectroscopy in the range 1.2eV-2.6eV has been applied to thin polycrystalline films of PTCDA and MePTCDI and to solid solutions of PTCDA and MePTCDI molecules (monomers) in a SiO2 matrix. We are able to ascribe the respective signal contributions to ground state bleaching, stimulated emission, and excited state absorption. Both systems exhibit broad excited-state absorption features below 2.0eV, with dominant peaks between 1.8eV and 2.0eV. The monomer spectra can be consistently explained by the results of quantum-chemical calculations on single molecules, and the respective experimental polarization anisotropies for the two major transitions agree with the calculated polarizations. Dimer calculations allow to qualitatively understand the trends visible in the experimental results from monomers to thin films. The broad excited state absorption band between 1.8eV and 2.0eV allows to probe the population dynamics in the first excited state of thin films. We show that excitons created at the Gamma point relax towards the border of the Brillouin zone on a 100fs time scale in both systems. Excitonic relaxation is accelerated by increase of temperature and/or excitation density, which is attributed to stimulated phonon emission during relaxation in k-space. Lower and upper limits of the intraband relaxation time constants are 25fs (resolution limit) and 250fs (100fs) for PTCDA (MePTCDI). These values agree with the upper limit for the intraband relaxation time of 10ps, evaluated from time-resolved luminescence measurements. While the luminescence anisotropy is in full accordance with the predictions made by a luminescence anisotropy model being consistent with the exciton model of Davydov-split states, the pump-probe anisotropy calls for an explanation beyond the models presently available. At excitation densities 10^(19)cm^(-3), the major de-excitation mechanism for the relaxed excitons is exciton-exciton annihilation, resulting in a strongly reduced exciton life time. Three different models for the microscopic behavior have been tested: a diffusion-limited annihilation model in both three and one dimensions (with diffusion constant D as fit parameter) as well as a long-range single-step Förster-type annihilation model (with Förster radius RF as fit parameter). For PTCDA, the latter two, being structurally equivalent, allow to fit a set of multiexponential decay curves for multiple initial exciton densities with high precision. In contrast, the three-dimensional diffusion-limited model is clearly inferior. For all three models, we extract annihilation rates, diffusion constants and diffusion lengths (or Förster radii), for both room and liquid helium temperature. Temperature dependence and orders of magnitude of the obtained parameters D or RF correspond to the expectations. For MePTCDI, the 1D and the Förster model are in good agreement for a smaller interval of excitation densities. For a initial exciton densities higher than 5 x 10^(19)cm^(-3), the 3D model performs significantly better than the other two.

This thesis deals with exciton relaxation processes in thin polycrystalline films and matrix-isolated molecules of the perylene derivatives PTCDA (3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride) and MePTCDI (N,N'-dimethylperylene-3,4,9,10-dicarboximide). Using femtosecond pump-probe spectroscopy, transient absorption spectra, excitonic relaxation in the lowest excited state subsequent to excitation, and exciton-exciton interaction and annihilation at high excitation densities have been addressed. Transient absorption spectroscopy in the range 1.2eV-2.6eV has been applied to thin polycrystalline films of PTCDA and MePTCDI and to solid solutions of PTCDA and MePTCDI molecules (monomers) in a SiO2 matrix. We are able to ascribe the respective signal contributions to ground state bleaching, stimulated emission, and excited state absorption. Both systems exhibit broad excited-state absorption features below 2.0eV, with dominant peaks between 1.8eV and 2.0eV. The monomer spectra can be consistently explained by the results of quantum-chemical calculations on single molecules, and the respective experimental polarization anisotropies for the two major transitions agree with the calculated polarizations. Dimer calculations allow to qualitatively understand the trends visible in the experimental results from monomers to thin films. The broad excited state absorption band between 1.8eV and 2.0eV allows to probe the population dynamics in the first excited state of thin films. We show that excitons created at the Gamma point relax towards the border of the Brillouin zone on a 100fs time scale in both systems. Excitonic relaxation is accelerated by increase of temperature and/or excitation density, which is attributed to stimulated phonon emission during relaxation in k-space. Lower and upper limits of the intraband relaxation time constants are 25fs (resolution limit) and 250fs (100fs) for PTCDA (MePTCDI). These values agree with the upper limit for the intraband relaxation time of 10ps, evaluated from time-resolved luminescence measurements. While the luminescence anisotropy is in full accordance with the predictions made by a luminescence anisotropy model being consistent with the exciton model of Davydov-split states, the pump-probe anisotropy calls for an explanation beyond the models presently available. At excitation densities 10^(19)cm^(-3), the major de-excitation mechanism for the relaxed excitons is exciton-exciton annihilation, resulting in a strongly reduced exciton life time. Three different models for the microscopic behavior have been tested: a diffusion-limited annihilation model in both three and one dimensions (with diffusion constant D as fit parameter) as well as a long-range single-step Förster-type annihilation model (with Förster radius RF as fit parameter). For PTCDA, the latter two, being structurally equivalent, allow to fit a set of multiexponential decay curves for multiple initial exciton densities with high precision. In contrast, the three-dimensional diffusion-limited model is clearly inferior. For all three models, we extract annihilation rates, diffusion constants and diffusion lengths (or Förster radii), for both room and liquid helium temperature. Temperature dependence and orders of magnitude of the obtained parameters D or RF correspond to the expectations. For MePTCDI, the 1D and the Förster model are in good agreement for a smaller interval of excitation densities. For a initial exciton densities higher than 5 x 10^(19)cm^(-3), the 3D model performs significantly better than the other two.

Aggregate aus Molekülen, in denen die Moleküle über ihre elektronischen Übergangsdipole miteinander wechselwirken, finden wegen ihrer besonderen optischen und Energietransfer-Eigenschaften vielfach Anwendung in Natur, Technik, Biologie und Medizin. Beispiele sind die wechselwirkenden Farbstoffmoleküle, die in den Lichtsammelkomplexen Photosynthese betreibender Lebewesen Sonnenlicht absorbieren und die Energie als elektronische Anregung hocheffizient zu Reaktionszentren weiterleiten, oder Aggregate aus tausenden von organischen Farbstoffmolekülen in einem flüssigen Lösungsmittel. Die Wechselwirkung der Moleküle (Monomere) führt zu über mehrere Moleküle delokalisierten angeregten elektronischen Zuständen, die die Energietransfer-Dynamik und die Absorptionsspektren der Aggregate prägen. Die Lichtabsorption und der Energietransfer in molekularen Aggregaten werden oft stark von Vibrationen beeinflusst, sowohl von internen Vibrationsfreiheitsgraden der Monomere als auch von Vibrationen der Umgebung (z. B. das Proteingerüst in Lichtsammelkomplexen oder eine Flüssigkeitsumgebung), an die die elektronische Anregung koppelt. Da es schwierig ist, diese Vibrationen in die theoretische Beschreibung des Transfers und der Spektren einzubeziehen, ist ihr genauer Einfluss noch nicht gut verstanden. Um dieses Verständnis zu verbessern, entwickeln wir in dieser Arbeit neue Berechnungsmethoden und untersuchen damit die Auswirkungen der Vibrationen. Zuerst betrachten wir die diskreten internen Vibrationsfreiheitsgrade der Monomere. Dazu haben wir eine effiziente numerische Methode entwickelt, die es uns erlaubt, mehrere Freiheitsgrade pro Monomer explizit einzubeziehen und die volle Schrödinger-Gleichung zu lösen. Mit den Modellrechnungen können wir experimentelle Aggregat-Spektren der Helium-Nanotröpfchen-Isolation-Spektroskopie, mit der man die einzelnen Vibrationslinien der Monomere auflösen kann, zum ersten Mal quantitativ reproduzieren. In früheren theoretischen Behandlungen wurde oft nur ein einziger Vibrationsfreiheitsgrad pro Monomer berücksichtigt – nun zeigen wir, dass die Einbeziehung möglichst vieler Freiheitsgrade für eine realistische Beschreibung von Aggregat-Spektren wichtig ist. Um neben den internen Vibrationen auch den Einfluss der Umgebung beschreiben zu können, nutzen wir den Zugang offener Quantensysteme und nehmen an, dass die elektronische Anregung an ein strukturiertes Kontinuum von Vibrationsfreiheitsgraden koppelt. Erstmals wenden wir die sogenannte nicht-markovsche Quanten-Zustands-Diffusion auf die molekularen Aggregate an, wodurch wir mit Hilfe einer Näherung Spektren und Transfer mit einer sehr effizienten stochastischen Schrödinger-Gleichung berechnen können. So können wir Merkmale gemessener Aggregat-Spektren, wie das schmale J-Band und das breite strukturierte H-Band, in Abhängigkeit der Anzahl der Monomere und der Wechselwirkungsstärke zwischen den Monomeren beschreiben. Auch können wir den Übergang von kohärentem zu inkohärentem Transfer erfassen. Eine für den Transfer relevante Größe ist die Anzahl der kohärent gekoppelten Monomere im Aggregat. Diese schätzt man häufig aus der Verschmälerung des Aggregat-Spektrums ab. Wir finden jedoch für verschiedene Spektraldichten des Vibrationskontinuums sehr unterschiedliche Verschmälerungen des Aggregat-Spektrums, die wir analytisch erklären. So zeigen wir, dass die bisherige einfache Abschätzung der Anzahl der kohärent gekoppelten Monomere nicht gerechtfertigt ist, da die Verschmälerung stark vom angenommenen Modell abhängt.

Aggregate aus Molekülen, in denen die Moleküle über ihre elektronischen Übergangsdipole miteinander wechselwirken, finden wegen ihrer besonderen optischen und Energietransfer-Eigenschaften vielfach Anwendung in Natur, Technik, Biologie und Medizin. Beispiele sind die wechselwirkenden Farbstoffmoleküle, die in den Lichtsammelkomplexen Photosynthese betreibender Lebewesen Sonnenlicht absorbieren und die Energie als elektronische Anregung hocheffizient zu Reaktionszentren weiterleiten, oder Aggregate aus tausenden von organischen Farbstoffmolekülen in einem flüssigen Lösungsmittel. Die Wechselwirkung der Moleküle (Monomere) führt zu über mehrere Moleküle delokalisierten angeregten elektronischen Zuständen, die die Energietransfer-Dynamik und die Absorptionsspektren der Aggregate prägen. Die Lichtabsorption und der Energietransfer in molekularen Aggregaten werden oft stark von Vibrationen beeinflusst, sowohl von internen Vibrationsfreiheitsgraden der Monomere als auch von Vibrationen der Umgebung (z. B. das Proteingerüst in Lichtsammelkomplexen oder eine Flüssigkeitsumgebung), an die die elektronische Anregung koppelt. Da es schwierig ist, diese Vibrationen in die theoretische Beschreibung des Transfers und der Spektren einzubeziehen, ist ihr genauer Einfluss noch nicht gut verstanden. Um dieses Verständnis zu verbessern, entwickeln wir in dieser Arbeit neue Berechnungsmethoden und untersuchen damit die Auswirkungen der Vibrationen. Zuerst betrachten wir die diskreten internen Vibrationsfreiheitsgrade der Monomere. Dazu haben wir eine effiziente numerische Methode entwickelt, die es uns erlaubt, mehrere Freiheitsgrade pro Monomer explizit einzubeziehen und die volle Schrödinger-Gleichung zu lösen. Mit den Modellrechnungen können wir experimentelle Aggregat-Spektren der Helium-Nanotröpfchen-Isolation-Spektroskopie, mit der man die einzelnen Vibrationslinien der Monomere auflösen kann, zum ersten Mal quantitativ reproduzieren. In früheren theoretischen Behandlungen wurde oft nur ein einziger Vibrationsfreiheitsgrad pro Monomer berücksichtigt – nun zeigen wir, dass die Einbeziehung möglichst vieler Freiheitsgrade für eine realistische Beschreibung von Aggregat-Spektren wichtig ist. Um neben den internen Vibrationen auch den Einfluss der Umgebung beschreiben zu können, nutzen wir den Zugang offener Quantensysteme und nehmen an, dass die elektronische Anregung an ein strukturiertes Kontinuum von Vibrationsfreiheitsgraden koppelt. Erstmals wenden wir die sogenannte nicht-markovsche Quanten-Zustands-Diffusion auf die molekularen Aggregate an, wodurch wir mit Hilfe einer Näherung Spektren und Transfer mit einer sehr effizienten stochastischen Schrödinger-Gleichung berechnen können. So können wir Merkmale gemessener Aggregat-Spektren, wie das schmale J-Band und das breite strukturierte H-Band, in Abhängigkeit der Anzahl der Monomere und der Wechselwirkungsstärke zwischen den Monomeren beschreiben. Auch können wir den Übergang von kohärentem zu inkohärentem Transfer erfassen. Eine für den Transfer relevante Größe ist die Anzahl der kohärent gekoppelten Monomere im Aggregat. Diese schätzt man häufig aus der Verschmälerung des Aggregat-Spektrums ab. Wir finden jedoch für verschiedene Spektraldichten des Vibrationskontinuums sehr unterschiedliche Verschmälerungen des Aggregat-Spektrums, die wir analytisch erklären. So zeigen wir, dass die bisherige einfache Abschätzung der Anzahl der kohärent gekoppelten Monomere nicht gerechtfertigt ist, da die Verschmälerung stark vom angenommenen Modell abhängt.