Este trabalho de tese apresenta novas evidências experimentais que ajudam no conhecimento atual das propriedades de transporte em semicondutores orgânicos, aprofundando o conhecimento dos processos de condução dependentes de spin em dispositivos eletrônicos baseados nestes materiais. O trabalho apresentado pode ser dividido em dois temas principais, o primeiro relacionado ao aumento das qualidades espectroscópicas da técnica de ressonância magnética detectada eletricamente (RMDE) por meio de um estudo da dependência do sinal vetorial de RMDE em função da freqüência do campo magnético de modulação. O segundo tema, encontrase relacionado aos efeitos de campos magnéticos externos na condutividade de semicondutores orgânicos. Através de uma análise de fase cuidadosa do sinal vetorial de RMDE foi demonstrado que o espectro de RMDE de diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) baseados em alumínio (III) 8-hidroxiquinolina (\'Alq IND. 3\') pôde ser separado em dois sinais componentes com fatores-g de: \'g IND. h\'= 2,007 e \'g IND. e\'= 2,0035. O espectro de RMDE de OLEDs baseados em \'Alq IND. 3\' foi atribuído ao processo de formação de éxcitons, e os sinais componentes foram atribuídos ao par precursor do éxciton, um à ressonância em ânions de \'Alq IND. 3\', enquanto que o outro a estados catiônicos no \'Alq IND. 3\'. Foi demonstrado que a utilização de diferentes freqüências de modulação de campo magnético aumenta a resolução temporal do sistema de detecção de RMDE, não influenciando os valores dos parâmetros espectroscópicos dos sinais. Desta forma, foi observado que os sistemas ou processos dependentes de spin diferentes que dão origem ao sinal de RMDE de OLEDs baseados em \'Alq IND. 3\', têm uma diferença entre os tempos de resposta menor que 6.0 x \'10 POT. -7\'s. Neste trabalho se propõe um modelo de circuito para simular a origem do sinal de RMDE de OLEDs baseados em \'Alq IND. 3\'. Os resultados deste modelo têm uma grande concordância com os resultados experimentais, observando-se que os dois sistemas ou processos de spin diferentes que dão origem ao sinal, podem ser representados por uma combinação paralela de capacitâncias e \"resistores\" que tomam a forma de funções gaussianas em condições de ressonância magnética. A generalidade deste modelo indica que ele poderia ser utilizado em outros problemas de transporte dependentes de spin de outros dispositivos eletrônicos orgânicos, inorgânicos ou híbridos (inorgânico-orgânico). Resultados de estudos de RMDE de OLEDs baseados em \'Alq IND. 3\', dopados e não dopados, em baixas temperaturas (até 100 K), mostraram que no OLED dopado com rubreno pode existir um mecanismo de formação de éxcitons similar ao já observado para o OLED dopado com DCM-TPA, indicando que o mecanismo de formação de éxcitons no OLED dopado com rubreno seria uma reação direta entre um elétron no \'Alq IND. 3\' com um buraco aprisionado no dopante. Foram observados efeitos do campomagnético na condutividade de dispositivos baseados em semicondutores orgânicos demonstrando a ocorrência do fenômeno de magneto-resistência (MR) em dispositivos orgânicos e híbridos (orgânico-inorgânico). Estes estudos mostraram que a melhor forma de detecção destes efeitos é através do monitoramento da resistência em função do tempo sob a aplicação de campos magnéticos externos. Para os dispositivos baseados em \'Alq IND. 3\', OLEDs dopados e não dopados e um dispositivo e-only, foi observada somente MR negativa, enquanto que para um dispositivo h-only foi observado um novo efeito quase constante e positivo. Para campos magnéticos aplicados de até 1 T, os dispositivos unipolares mostraram baixos efeitos de campo magnético na condutividade alcançando MR de até 0,08%, enquanto que os OLEDs mostraram efeitos maiores alcançando MR de até 3,2%. Apesar do mecanismo exato que origina os efeitos de campo magnético na condutividade de semicondutores orgânicos ainda permanecer desconhecido, os resultados apresentados neste trabalho indicam que este fenômeno não está relacionado com a formação de éxcitons. / This thesis presents new experimental evidences that can improve the current knowledge of the transport properties in organic semiconductors, particularly the spin dependent conduction processes in electronic devices based in those materials. This work can be divided in two main subjects, the first one related to the increasing in the spectroscopic qualities of the electrically detected magnetic resonance (EDMR) technique and the second one related to the external magnetic field effects in the conductivity of the organic semiconductors. Using a careful phase analysis of the vectorial EDMR signal it was demonstrated that the aluminium (III) 9-hydroxyquinoline (\'Alq IND. 3\')-based organic light emitting diodes (OLEDs) spectrum cam be separated in two component signais with different g-factors: \"G IND. h\'= 2,007 and \'g IND. e\'= 2,0035. The EDMR spectrum of \'Alq IND. 3\'-based OLEDs was attributed to the exciton formation process and the component signals were attributed to the resonance in \'Alq IND. 3\' anions (electrons) and in cationic states (holes) into \'Alq IND. 3\'. It was demonstrated that the use of different magnetic field modulations frequencies (MFMF) improves the temporal resolution of the EDMR system detection. It observed that the difference in the lifetime of the two EDMR signal components is smaller than 6.0x\'10 POT -7\'s. We proposed a novel circuit model to explain the observed EDMR signals. Results from this model are in agreement with the experimentalresults showing that the EDMR signal of \'Alq IND. 3\'-based OLEDS comes fromtwo different spin systems that can be represented by a parallel combination of capacitance and resistances which acquires a Gaussian form is magnetic resonance conditions. The simplest circuit model indicates that it can be used in other spin-dependent transport problems of different electronic devices (organic, inorganic or hybrid) studied by EDMR experiments. Results from a EDMR investigation of the effects of dye doping on spin dependent exciton formation in \'Alq IND. 3\'-based OLEDs at low temperatures (up to 100 K) showed that the Rubrene dye doped \'Alq IND. 3\'-based OLEDs presents a similar mechanism for exciton formation that the DCM--TPA doped OLED indicating that the recombination occurs by a direct reaction between an electron in the \'Alq IND. 3\' and a hole into the dopant. Magnetic field effects in the conductivity of organic semiconductors based devices were observed, showing the existence of the magnetoresistance (MR) phenomena in both organic and hybrids (organic-inorganic) devices. The studies showed that the best way to detect this effects is by monitoring the resistance as a function of time under the application of different magnetic field pulses. Only negative magnetoresistance was observed for the \'Alq IND. 3\'-based devices: undoped and dye doped OLEDs and an electron only device. A very small, positive and almost constant MR was observedin the hole-only device. For the unipolar devices were observed small magnetic field effects in the conductivity reaching a MR= 0.08%. The OLEDs showed bigger effects reaching a MR= 3.2%. Despite the exact mechanism that origins the magnetic field effects in the conductivity of organic semiconductors remains unknown the results presented in this thesis indicates that this phenomena is not related to the exciton formation.

Este trabalho de tese apresenta novas evidências experimentais que ajudam no conhecimento atual das propriedades de transporte em semicondutores orgânicos, aprofundando o conhecimento dos processos de condução dependentes de spin em dispositivos eletrônicos baseados nestes materiais. O trabalho apresentado pode ser dividido em dois temas principais, o primeiro relacionado ao aumento das qualidades espectroscópicas da técnica de ressonância magnética detectada eletricamente (RMDE) por meio de um estudo da dependência do sinal vetorial de RMDE em função da freqüência do campo magnético de modulação. O segundo tema, encontrase relacionado aos efeitos de campos magnéticos externos na condutividade de semicondutores orgânicos. Através de uma análise de fase cuidadosa do sinal vetorial de RMDE foi demonstrado que o espectro de RMDE de diodos orgânicos emissores de luz (OLEDs) baseados em alumínio (III) 8-hidroxiquinolina (\'Alq IND. 3\') pôde ser separado em dois sinais componentes com fatores-g de: \'g IND. h\'= 2,007 e \'g IND. e\'= 2,0035. O espectro de RMDE de OLEDs baseados em \'Alq IND. 3\' foi atribuído ao processo de formação de éxcitons, e os sinais componentes foram atribuídos ao par precursor do éxciton, um à ressonância em ânions de \'Alq IND. 3\', enquanto que o outro a estados catiônicos no \'Alq IND. 3\'. Foi demonstrado que a utilização de diferentes freqüências de modulação de campo magnético aumenta a resolução temporal do sistema de detecção de RMDE, não influenciando os valores dos parâmetros espectroscópicos dos sinais. Desta forma, foi observado que os sistemas ou processos dependentes de spin diferentes que dão origem ao sinal de RMDE de OLEDs baseados em \'Alq IND. 3\', têm uma diferença entre os tempos de resposta menor que 6.0 x \'10 POT. -7\'s. Neste trabalho se propõe um modelo de circuito para simular a origem do sinal de RMDE de OLEDs baseados em \'Alq IND. 3\'. Os resultados deste modelo têm uma grande concordância com os resultados experimentais, observando-se que os dois sistemas ou processos de spin diferentes que dão origem ao sinal, podem ser representados por uma combinação paralela de capacitâncias e \"resistores\" que tomam a forma de funções gaussianas em condições de ressonância magnética. A generalidade deste modelo indica que ele poderia ser utilizado em outros problemas de transporte dependentes de spin de outros dispositivos eletrônicos orgânicos, inorgânicos ou híbridos (inorgânico-orgânico). Resultados de estudos de RMDE de OLEDs baseados em \'Alq IND. 3\', dopados e não dopados, em baixas temperaturas (até 100 K), mostraram que no OLED dopado com rubreno pode existir um mecanismo de formação de éxcitons similar ao já observado para o OLED dopado com DCM-TPA, indicando que o mecanismo de formação de éxcitons no OLED dopado com rubreno seria uma reação direta entre um elétron no \'Alq IND. 3\' com um buraco aprisionado no dopante. Foram observados efeitos do campomagnético na condutividade de dispositivos baseados em semicondutores orgânicos demonstrando a ocorrência do fenômeno de magneto-resistência (MR) em dispositivos orgânicos e híbridos (orgânico-inorgânico). Estes estudos mostraram que a melhor forma de detecção destes efeitos é através do monitoramento da resistência em função do tempo sob a aplicação de campos magnéticos externos. Para os dispositivos baseados em \'Alq IND. 3\', OLEDs dopados e não dopados e um dispositivo e-only, foi observada somente MR negativa, enquanto que para um dispositivo h-only foi observado um novo efeito quase constante e positivo. Para campos magnéticos aplicados de até 1 T, os dispositivos unipolares mostraram baixos efeitos de campo magnético na condutividade alcançando MR de até 0,08%, enquanto que os OLEDs mostraram efeitos maiores alcançando MR de até 3,2%. Apesar do mecanismo exato que origina os efeitos de campo magnético na condutividade de semicondutores orgânicos ainda permanecer desconhecido, os resultados apresentados neste trabalho indicam que este fenômeno não está relacionado com a formação de éxcitons. / This thesis presents new experimental evidences that can improve the current knowledge of the transport properties in organic semiconductors, particularly the spin dependent conduction processes in electronic devices based in those materials. This work can be divided in two main subjects, the first one related to the increasing in the spectroscopic qualities of the electrically detected magnetic resonance (EDMR) technique and the second one related to the external magnetic field effects in the conductivity of the organic semiconductors. Using a careful phase analysis of the vectorial EDMR signal it was demonstrated that the aluminium (III) 9-hydroxyquinoline (\'Alq IND. 3\')-based organic light emitting diodes (OLEDs) spectrum cam be separated in two component signais with different g-factors: \"G IND. h\'= 2,007 and \'g IND. e\'= 2,0035. The EDMR spectrum of \'Alq IND. 3\'-based OLEDs was attributed to the exciton formation process and the component signals were attributed to the resonance in \'Alq IND. 3\' anions (electrons) and in cationic states (holes) into \'Alq IND. 3\'. It was demonstrated that the use of different magnetic field modulations frequencies (MFMF) improves the temporal resolution of the EDMR system detection. It observed that the difference in the lifetime of the two EDMR signal components is smaller than 6.0x\'10 POT -7\'s. We proposed a novel circuit model to explain the observed EDMR signals. Results from this model are in agreement with the experimentalresults showing that the EDMR signal of \'Alq IND. 3\'-based OLEDS comes fromtwo different spin systems that can be represented by a parallel combination of capacitance and resistances which acquires a Gaussian form is magnetic resonance conditions. The simplest circuit model indicates that it can be used in other spin-dependent transport problems of different electronic devices (organic, inorganic or hybrid) studied by EDMR experiments. Results from a EDMR investigation of the effects of dye doping on spin dependent exciton formation in \'Alq IND. 3\'-based OLEDs at low temperatures (up to 100 K) showed that the Rubrene dye doped \'Alq IND. 3\'-based OLEDs presents a similar mechanism for exciton formation that the DCM--TPA doped OLED indicating that the recombination occurs by a direct reaction between an electron in the \'Alq IND. 3\' and a hole into the dopant. Magnetic field effects in the conductivity of organic semiconductors based devices were observed, showing the existence of the magnetoresistance (MR) phenomena in both organic and hybrids (organic-inorganic) devices. The studies showed that the best way to detect this effects is by monitoring the resistance as a function of time under the application of different magnetic field pulses. Only negative magnetoresistance was observed for the \'Alq IND. 3\'-based devices: undoped and dye doped OLEDs and an electron only device. A very small, positive and almost constant MR was observedin the hole-only device. For the unipolar devices were observed small magnetic field effects in the conductivity reaching a MR= 0.08%. The OLEDs showed bigger effects reaching a MR= 3.2%. Despite the exact mechanism that origins the magnetic field effects in the conductivity of organic semiconductors remains unknown the results presented in this thesis indicates that this phenomena is not related to the exciton formation.

The interfacial electronic structure of the organic material- tris(8-hydroxyquinolinato)aluminum (Alq3) forming an interface with cobalt metal has been investigated in this research. The primary characterization method used in this research was near-edge X-ray absorption fine structure (NEXAFS) spectroscopy which probes the unoccupied molecular orbitals of a material. Density functional theory (DFT) calculations have also been employed to calculate the partial density of states (PDOS) of all constituent elements present in Alq3 molecule. The DFT calculations helped to determine the molecular orbital structure of Alq3 and to understand how the orbital structure is influenced by forming an interface with ferromagnetic Co layer. The experimental NEXAFS spectra measured in total fluorescence yield (TFY) showed that the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) and LUMO+1 states of Alq3 were not affected by the presence of Co when Co is deposited onto Alq3. On the other hand, a charge transfer between Co and Alq3 led the loss or reduction of LUMO+2 state for a Co(top)/Alq3 bilayer sample when compared to pristine Alq3 reference sample (without Co deposition). This selective effect of Co on the orbital configuration of Alq3 suggests that Co atoms diffuse into Alq3 and interact with preferred sites in Alq3. By comparing the spectral change in the experimental NEXAFS spectra to the calculated PDOS of Alq3, the preferred interaction sites between Co and Alq3 could be successfully determined. This work suggests that the spectroscopic approach using synchrotron-radiation X-ray spectroscopy can serve as a powerful means for studying the interfacial electronic structure between magnetic metals and organic semiconductors and can contribute to the research and development of high performance organic spintronics.

The use of Raman spectroscopy in ultra high vacuum to assess structure and reactivity at the interface of tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq3) with vapordeposited metals is presented. Understanding the structure of the interface between electron transport layer materials such as Alq3 and low work function metals such as Al, Mg and Ca is vital for engineering organic light emitting diodes with high efficiency and low driving voltage. Reactivity at the interface of Al, Mg and Ca with Alq₃ thin films is examined with Raman spectroscopy along with the non-reactive Ag/Alq₃ interface for comparison. Additionally, the effect of a thin LiF barrier layer on reactivity at the Al/Alq₃ and Mg/Alq₃ interfaces is also examined. Raman spectroscopy of post-deposited Ag on Alq3 films confirms preservation of the Alq₃ structure along with evolution of simple surface enhancement of Alq₃ spectral intensities. Changes in key vibrational modes of Alq₃ upon Ag deposition are consistent with weak interaction of Ag with the conjugated ring of the ligand. In contrast, vapor deposition of Al onto Alq₃ films results in the appearance of new Raman modes linked to the formation of an Al-Alq₃ adduct. Additionally, Raman modes associated with graphitic carbon are also noted for the Al/Alq₃ interface and are attributed to partial degradation of the organic film. The Raman spectral results for deposition of Mg onto Alq3 films also indicate formation of a complex interfacial region composed primarily of Mg-Alq₃ adducts and small-grained amorphous or nanocrystalline graphite. Raman spectroscopy of the Ca/Alq₃ interface is also indicative of formation of a Ca-Alq₃ complex; however, the graphitic carbon in this system is noted to be more disordered, sp³-type carbon compared to that observed for Al/Alq₃ and Mg/Alq₃. Examination of the Al/LiF/Alq₃ and Mg/LiF/Alq₃ interfaces illustrates that 5 Å-thick LiF layers partially block reaction chemistry between the metal and organic, while 10 Å thick LiF films completely eliminates reactivity at these interfaces. Implications of the presence of chemical species observed at these metal/organic interfaces on charge transport in devices are also discussed.

The purpose of this thesis was to develop the first examples of multifunctional triarylboron-functionalized 8-hydroxyquinoline, their respective aluminum (III) complexes, Al(1)3 and Al(2)3, and diboron analogues, B1 and B2. There was particular focus in investigating the electron accepting characteristics of these systems for potential use as electron transport materials (ETMs) in organic light emitting diodes (OLEDs). The first part of the thesis will discuss the aluminum complexes. Through the introduction of the triarylboron moiety these derivatives of the well-known ETM tris(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3) exhibited better electron accepting properties than the parent compound. Furthermore, the complexes were able to act as sensors and indicators towards soft Lewis acids such as CN- and hard Lewis acids such as F-, respectively. First the structures of the compounds were investigated using COSY NMR, leading to the discovery that similar to Alq3 the new aluminum complexes possessed the commonly observed mer-isomeric form. Furthermore, their photophysical characteristics were investigated using UV-Vis and fluorescence spectroscopic measurements. The solid state fluorescence quantum yield of Al(1)3 (Φ=0.06) and Al(2)3 (Φ=0.02) were measured and compared to Alq3 (Φ=0.14). In order to better understand these results and gain insight into the electronic transitions of the aluminum complexes, DFT calculations were employed using the B3LYP/6-31G* level of theory. The second part of the thesis will discuss the only examples of diboron-functionalized 8-hydroxyquinoline complexes to date, with one three-coordinate and one four-coordinate boron moiety. Based on CV measurements and DFT calculations, it was discovered that the LUMO of the diboron compounds were lowered substantially compared to their aluminum analogues discussed earlier. More interestingly, it was found that only B1 has any contributions to its LUMO from the triarylboron moiety, leading to the slightly stronger electron accepting ability of B1 compared to B2. Furthermore, these compounds were both able to act as sensors towards small anions such as F-. / Thesis (Master, Chemistry) -- Queen's University, 2011-09-21 08:43:10.543

Ressonância magnética detectada eletricamente (RMDE) de banda-X (9 GHz) e de banda-K (24 GHz) foram usadas para estudar diversos diodos baseados em tris-8(hidroxiquinolinolato) de alumínio III (Alq3). A técnica de RMDE consiste, basicamente, em medir a variação da condutividade quando o sistema entra na condição de ressonância magnética; assim, é possível relacionar propriedades de transporte elétrico com as funções de onda das moléculas envolvidas no processo. Para este estudo foram confeccionados diodos eletroluminescentes e unipolares de multicamadas no Laboratoire d'Optoélectronique des Materiaux Moléculaire (LOMM), da École Polytechnique Fédérale de Lausane (EPFL), Suíça, pelo Dr. Frank Nüesch. Faz parte também deste trabalho a montagem experimental do sistema de RMDE de banda-K, onde a maior parte dos dados foram obtidos. O sinal de RMDE dos diodos unipolares, da ordem de 1E-6, é atribuído ao processo dependente de spin de saltos eletrônicos que ocorre próximo às interfaces. O sinal típico de RMDE dos diodos eletroluminescentes é mais intenso, da ordem de 1E-4, e é atribuído à ressonância de spin-1/2 na formação dos éxcitons. O espectro de RMDE, por meio de ajuste de curvas, pôde ser decomposto em duas gaussianas: uma com largura de linha pico-a-pico DHPP de 1,6 mT, independente do campo elétrico aplicado no dispositivo, e outra variando de 2,0 mT a 3,4 mT. A componente mais estreita se deve à ressonância do radical positivo de Alq3, enquanto que a componente mais larga àquela do negativo. O estudo da forma de linha e de sua dependência com o campo elétrico dos espectros de RMDE de diodos unipolares dão suporte à ambas as atribuições. Neste trabalho, a questão da eficiência quântica e da zona de recombinação também são discutidas. / Electrically Detected Magnetic Resonance (EDMR) at X-band (9GHz) and K-band (24 GHz) were used to investigate Alq3 based diodes. EDMR technique consists basically of measuring conductivity variation at magnetic resonance conditions; thus, it is possible to correlate electrical transport properties with wave functions of the molecules involved in the process. Electroluminescent and unipolar multilayer diodes were prepared in the Laboratoire d'Optoélectronique des Materiaux Moléculaire (LOMM), at on École Polytechnique Fédérale de Lausane EPFL, Switzerland by Dr. Frank Nüesch. The experimental setup of the K-band EDMR system, where most of the data were obtained, was also part of this work. The unipolar diodes EDMR signal is of the order of 1E-6 and is attributed to spin dependent hopping process close to the interfaces. The electroluminescent diodes typical EDMR signal is more intense, of the order of 1E-4 , and is attributed to exciton´s formation spin-1/2 resonance. The EDMR spectrum can be decomposed into two Gaussians: one with peak-to-peak line width (DHPP) of 1.6 mT, independent of the electrical field applied to the devices, and other one whit DHPP of 2.0 mT to 3.4 mT. The narrower component is due to the resonance of positive Alq3 radical, while the larger component is due to the negative. Both attributions are supported by the investigation of line shape and its dependence of electrical field in the unipolar diodes EDMR spectra. In this work, the quantum efficiency and the recombination zone issues are also discussed.

O objetivo do presente trabalho foi o estudo e analises de processos de transferência de energia e transferência de elétrons em dispositivos moleculares. Para tal fim foi utilizado o polímero de poliestireno (PS) como matriz hospedeira das moléculas tendo sido verificado que este material apresenta uma característica de um excelente isolante mostrando-se adequado para a fabricação de dispositivos moleculares do tipo elétrico e óptico. Os dispositivos moleculares ópticos e elétricos foram obtidos pela técnica de \"spin coating\" a partir de soluções contendo o polímero de PS e as moléculas de Alq3 e Rh590 em solvente orgânico, mostrando que esta técnica permite a obtenção de filmes com espessura de 200nm e rugosidade com RMS da ordem de 2nm. Foi verificado que filmes de PS contendo moléculas de Alq3 e Rh590 podem ser utilizadas como dispositivos de transferência de energia e que a eficiência de transferência depende da sobreposição da banda de emissão do Alq3, banda de absorção da Rh590 e a concentração relativa das moléculas; tendo sido obtido dispositivos com ate 86 % de eficiência de transferência. Foi verificado que os dispositivos de ITO/PS:Alq3/Al e ITO/PS:Alq3:Rh590/Al apresentam mecanismos de transporte do tipo de transporte limitado por cargas armadilhadas nos níveis de defeito situadas na região da banda proibida entre o HOMO e LUMO das moléculas de Alq3 e Rh590. Os dispositivos elétricos de ITO/PS:Alq3/Al mostraram a existência de efeito memória que foram atribuídos a mudanças nos estados de ocupação de níveis altamente localizados (armadilhas) e à existência de nano- partículas metálicas no interior do filme de PS:Alq3 promovendo a transferência de elétrons por efeitos de tunelamento ressonante. Os resultados obtidos no presente trabalho em relação aos mecanismos de transferência de energia e eletrônica apresentam-se promissores para futuras aplicações em dispositivos moleculares como memórias moleculares, chaves moleculares, dispositivos de emissão (OLEDs). / The aim of the present work was to study and analyses the energy and electron transfer process in molecular devices. The molecular devices were fabricated by using the polystyrene polymer because this material, as it was verified in this work, showed a good insulator features. The optical and electrical molecular devices were fabricated by using the spin-coating techniques from the PS, Alq3 and Rh520 solution in organic solvent. The thin film obtained by this technique showed a 200 nm of thickness and 2 nm RMS of roughness, that it is a good parameter values in order to obtain a molecular devices. The thin film of PS with Alq3 and Rh520 as host molecules acts as a good energy transfer device yielding the transfer efficiency of 86%. The transfer efficiency showed dependence on relative concentration of molecules in the PS film and in the good emission an absorption spectra overlapping of molecules. The molecular device of type ITO/PS:Alq3/Al and ITO/PS:Alq3:Rh520/Al used as molecular device of electrical type showed that the electrons transfer mechanism is limited by charge trapped in the localized level between HOMO and LUMO levels of the molecules. The devices of the type ITO/PS:Alq3/Al showed additionally a memory and negative resistance features that it was attributed to the change in the charge trapped levels due to device polarization and to the existence of Al nano particles into the PS film. The results obtained in this work showed high cientific and technological relevance in order to project and fabricate the molecular devices.

Ressonância magnética detectada eletricamente (RMDE) de banda-X (9 GHz) e de banda-K (24 GHz) foram usadas para estudar diversos diodos baseados em tris-8(hidroxiquinolinolato) de alumínio III (Alq3). A técnica de RMDE consiste, basicamente, em medir a variação da condutividade quando o sistema entra na condição de ressonância magnética; assim, é possível relacionar propriedades de transporte elétrico com as funções de onda das moléculas envolvidas no processo. Para este estudo foram confeccionados diodos eletroluminescentes e unipolares de multicamadas no Laboratoire d'Optoélectronique des Materiaux Moléculaire (LOMM), da École Polytechnique Fédérale de Lausane (EPFL), Suíça, pelo Dr. Frank Nüesch. Faz parte também deste trabalho a montagem experimental do sistema de RMDE de banda-K, onde a maior parte dos dados foram obtidos. O sinal de RMDE dos diodos unipolares, da ordem de 1E-6, é atribuído ao processo dependente de spin de saltos eletrônicos que ocorre próximo às interfaces. O sinal típico de RMDE dos diodos eletroluminescentes é mais intenso, da ordem de 1E-4, e é atribuído à ressonância de spin-1/2 na formação dos éxcitons. O espectro de RMDE, por meio de ajuste de curvas, pôde ser decomposto em duas gaussianas: uma com largura de linha pico-a-pico DHPP de 1,6 mT, independente do campo elétrico aplicado no dispositivo, e outra variando de 2,0 mT a 3,4 mT. A componente mais estreita se deve à ressonância do radical positivo de Alq3, enquanto que a componente mais larga àquela do negativo. O estudo da forma de linha e de sua dependência com o campo elétrico dos espectros de RMDE de diodos unipolares dão suporte à ambas as atribuições. Neste trabalho, a questão da eficiência quântica e da zona de recombinação também são discutidas. / Electrically Detected Magnetic Resonance (EDMR) at X-band (9GHz) and K-band (24 GHz) were used to investigate Alq3 based diodes. EDMR technique consists basically of measuring conductivity variation at magnetic resonance conditions; thus, it is possible to correlate electrical transport properties with wave functions of the molecules involved in the process. Electroluminescent and unipolar multilayer diodes were prepared in the Laboratoire d'Optoélectronique des Materiaux Moléculaire (LOMM), at on École Polytechnique Fédérale de Lausane EPFL, Switzerland by Dr. Frank Nüesch. The experimental setup of the K-band EDMR system, where most of the data were obtained, was also part of this work. The unipolar diodes EDMR signal is of the order of 1E-6 and is attributed to spin dependent hopping process close to the interfaces. The electroluminescent diodes typical EDMR signal is more intense, of the order of 1E-4 , and is attributed to exciton´s formation spin-1/2 resonance. The EDMR spectrum can be decomposed into two Gaussians: one with peak-to-peak line width (DHPP) of 1.6 mT, independent of the electrical field applied to the devices, and other one whit DHPP of 2.0 mT to 3.4 mT. The narrower component is due to the resonance of positive Alq3 radical, while the larger component is due to the negative. Both attributions are supported by the investigation of line shape and its dependence of electrical field in the unipolar diodes EDMR spectra. In this work, the quantum efficiency and the recombination zone issues are also discussed.

O objetivo do presente trabalho foi o estudo e analises de processos de transferência de energia e transferência de elétrons em dispositivos moleculares. Para tal fim foi utilizado o polímero de poliestireno (PS) como matriz hospedeira das moléculas tendo sido verificado que este material apresenta uma característica de um excelente isolante mostrando-se adequado para a fabricação de dispositivos moleculares do tipo elétrico e óptico. Os dispositivos moleculares ópticos e elétricos foram obtidos pela técnica de \"spin coating\" a partir de soluções contendo o polímero de PS e as moléculas de Alq3 e Rh590 em solvente orgânico, mostrando que esta técnica permite a obtenção de filmes com espessura de 200nm e rugosidade com RMS da ordem de 2nm. Foi verificado que filmes de PS contendo moléculas de Alq3 e Rh590 podem ser utilizadas como dispositivos de transferência de energia e que a eficiência de transferência depende da sobreposição da banda de emissão do Alq3, banda de absorção da Rh590 e a concentração relativa das moléculas; tendo sido obtido dispositivos com ate 86 % de eficiência de transferência. Foi verificado que os dispositivos de ITO/PS:Alq3/Al e ITO/PS:Alq3:Rh590/Al apresentam mecanismos de transporte do tipo de transporte limitado por cargas armadilhadas nos níveis de defeito situadas na região da banda proibida entre o HOMO e LUMO das moléculas de Alq3 e Rh590. Os dispositivos elétricos de ITO/PS:Alq3/Al mostraram a existência de efeito memória que foram atribuídos a mudanças nos estados de ocupação de níveis altamente localizados (armadilhas) e à existência de nano- partículas metálicas no interior do filme de PS:Alq3 promovendo a transferência de elétrons por efeitos de tunelamento ressonante. Os resultados obtidos no presente trabalho em relação aos mecanismos de transferência de energia e eletrônica apresentam-se promissores para futuras aplicações em dispositivos moleculares como memórias moleculares, chaves moleculares, dispositivos de emissão (OLEDs). / The aim of the present work was to study and analyses the energy and electron transfer process in molecular devices. The molecular devices were fabricated by using the polystyrene polymer because this material, as it was verified in this work, showed a good insulator features. The optical and electrical molecular devices were fabricated by using the spin-coating techniques from the PS, Alq3 and Rh520 solution in organic solvent. The thin film obtained by this technique showed a 200 nm of thickness and 2 nm RMS of roughness, that it is a good parameter values in order to obtain a molecular devices. The thin film of PS with Alq3 and Rh520 as host molecules acts as a good energy transfer device yielding the transfer efficiency of 86%. The transfer efficiency showed dependence on relative concentration of molecules in the PS film and in the good emission an absorption spectra overlapping of molecules. The molecular device of type ITO/PS:Alq3/Al and ITO/PS:Alq3:Rh520/Al used as molecular device of electrical type showed that the electrons transfer mechanism is limited by charge trapped in the localized level between HOMO and LUMO levels of the molecules. The devices of the type ITO/PS:Alq3/Al showed additionally a memory and negative resistance features that it was attributed to the change in the charge trapped levels due to device polarization and to the existence of Al nano particles into the PS film. The results obtained in this work showed high cientific and technological relevance in order to project and fabricate the molecular devices.

Kyoto University (京都大学) / 0048 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第17161号 / 工博第3651号 / 新制||工||1554(附属図書館) / 29900 / 京都大学大学院工学研究科電子工学専攻 / (主査）教授 藤田 静雄, 教授 髙岡 義寛, 教授 川上 養一 / 学位規則第4条第1項該当