Thesis (Ph.D.)--University of Nebraska-Lincoln, 2009. / Title from title screen (site viewed March 2, 2010). PDF text: xii, 86 p. : ill. (some col.) ; 9 Mb. UMI publication number: AAT 3386756. Includes bibliographical references. Also available in microfilm and microfiche formats.

This thesis deals with theoretical studies of electronic properties of organic conjugated molecules. The first chapter introduces different classes of organic conjugated molecules which possess high hole mobility, large quadratic non-linear response and low band gap. In this chapter, we further describe different photo-physical processes and the basic principles of various opto-electronic devices. The second chapter provides an introduction to various many-body techniques, which are employed in studying ground and excited state properties of organic conjugated systems. First, we describe the Hartree-Fock theory and the Density Functional (DFT) method. These are followed by full Configuration-Interaction (CI) methods and various semi-empirical methods (CNDO, INDO and NDDO). The INDO method is used in subsequent chapters to obtain the ground and excited state properties of organic conjugated molecules. In addition, we describe the restricted CI (SCI and SDCI) and the Density Matrix Renormalization Group (DMRG) methods. The third chapter of this thesis deals with a time evolution study to ascertain the role of the triplet state in the green emission of the ethyl-hexyl substituted poly-fluorene (PF2/6) films. To understand this phenomenon, we have modeled various non-radiative processes like (i) Inter-System Crossing (ISC), (ii) electron-hole Recombination (e-hR) and (iii) Triplet Quenching (TQ). These studies conclusively prove the contribution of triplet states to the 500 nm EL peak. In chapter four, we describe the origin of the unusual EL in tri-p-tolylamine (TTA) based hole conductors. In order to model this phenomenon, we have performed SCI calculations on TTA, its radical ions and allied hole conductors (TAPC and TPD). These calculations indicate that the unusual EL is due to low-lying charge-transfer (CT) state, which is stabilized by charge-dipole and charge-induced-dipole interactions. In chapter five, we turn our attention to the calculation of ground and excited state properties of a class of donor-acceptor (DA) system using ab-initio DFT and INDO methods. In these systems, DFT calculations along with INDO-SCI calculation, show strong intramolecular charge transfer interaction between the D and the A units. We have further calculated various properties like permanent dipole moments, oscillator strengths, Stoke’s shifts in various solvents etc. In chapter six, we focus on studying linear and non-linear optical properties of first generation nitrogen based dendrimers, using DMRG method. A novel scheme which includes the weights of the dipole allowed states in the computation of the density matrix is developed to obtain accurate dipole allowed excited states as well as the linear and nonlinear optical responses. Chapter seven deals with non-linear optical properties of weak donor-acceptor (DA) complexes formed between methyl substituted phenylenes (donor) and Chloranil or DDQ (acceptors). We have calculated the ground and the low-lying excited states of these DA complexes using INDO-SDCI method. The first hyperpolarizability (β) response coefficients are calculated using the Correction Vector (CV) technique, which are further used to obtain macroscopic depolarization ratios. By comparing the theoretical results with experimental findings, it can be shown that the slipped parallel configuration with a slight twist is the most preferred geometry of these weak DA complexes in solution.

Le domaine des senseurs chimiques et biochimiques est en pleine expansion, tant au niveau de la recherche fondamentale que du design et de la fabrication de nouveaux « nez artificiels ». Les recherches actuelles visent à la mise au point de dispositifs de taille réduite permettant l’identification et la quantification d’espèces multiples, avec une réponse rapide et réversible, une détection sensible et sélective, le tout intégré dans une technologie simple et peu coûteuse. Les composantes actives des nez artificiels dont il est question ici reposent sur l’utilisation en tant que composante active de polymères et molécules conjugués. Les polymères conjugués sont attractifs pour leur grande sensibilité (tributaire du processus de diffusion efficace des excitations électroniques le long des chaînes) tandis que les molécules conjuguées répondent généralement favorablement au cahier des charges imposé à un senseur, dont les interactions fortes et spécifiques entre le senseur et la molécule à détecter ou encore une grande stabilité chimique et photochimique. Dans ce contexte, le but de cette thèse est d’associer polymères et molécules conjugués pour mettre au point un dispositif hybride combinant les avantages des deux composantes. Afin de caractériser ces dispositifs et de les optimiser, nous nous sommes focalisés dans un premier temps sur l’étude des propriétés géométriques, électroniques et optiques des entités séparées, que nous avons étudiées par le biais de méthodes issues de la chimie quantique. D’une part, nous avons considéré les améliorations pouvant être apportées aux détecteurs moléculaires tant au niveau des limites de détection que de ses propriétés spectroscopiques. D’autre part, nous avons mené une étude mécanistique des processus de transfert d’énergie le long de chaînes de polymères conjugués rigides, en apportant une attention particulière sur les différentes approches envisageables pour en améliorer l’efficacité (effets conformationnels, introduction d’unités à longues durées de vie, écart énergétique donneur-accepteur). Enfin, sur base des résultats obtenus pour les constituants séparés, nous avons proposé des structures chimiques de systèmes ‘hybrides’, constitués de polymères conjugués substitués en bouts de chaîne par des groupements ionophores. Ces études ont été menées en étroite collaboration avec le groupe du Prof. Noël Boens à la KULeuven, où les molécules et polymères conjuguées étudiés théoriquement dans le cadre de ce travail ont été synthétisés et caractérisés d’un point de vue spectroscopique.

In dieser Dissertation wird die Selbstorganisation von pi-konjugierten (makro)molekularen Architekturen durch Chemisorption oder Physisorption in hochgeordnete supramolekulare nanoskopische und mikroskopische Strukturen auf festen Trägern untersucht. Ihre Struktur und Dynamik wurden auf molekularer Skala hauptsächlich mit Rastersondenmikroskopien, insbesondere mit Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie, untersucht. Dies erlaubte die Charakterisierung einer Reihe von Phänomenen, die sowohl an Fest-Flüssig-Grenzflächen auftreten, wie beispielsweise die Dynamik der einzelnen molekularen Nanostäbchen (Ostwald Reifung) und die Fraktionierung steifer Polymerstäbchen durch Physisorption an der Grafitoberfläche aus der Lösung heraus, als auch in trockenen Filmen vorkommen wie die Selbstorganisation steifer Polymerstäbchen zu Nanobändern mit molekularen Querschnitten, die sich epitaktisch auf Oberflächen orientieren lassen und auch die Ausbildung gestapelter Architekturen von diskförmigen Molekülen. Außerdem wurden die elektronischen Eigenschaften der untersuchten Systeme mit Hilfe von Photoelektronenspektroskopie charakterisiert. Die entwickelten Nanostrukturen sind nicht nur für Nanokonstruktionen auf festen Oberflächen von Interesse, sondern besitzen auch Eigenschaften, die sie für Anwendungen in einer zukünftigen molekularen Elektronik prädestiniert, etwa für den Aufbau molekularer Drähte. / In this thesis the self-assembly of pi-conjugated (macro)molecular architectures, either through chemisorption or via physisorption, into highly ordered supramolecular nanoscopic and microscopic structures has been studied. On solid substrates structure and dynamics has been investigated on the molecular scale making use primarily of Scanning Probe Microscopies, in particular Scanning Tunneling Microscopy and Scanning Force Microscopy. This allowed to characterize a variety of phenomena occurring both at the solid-liquid interface, such as the dynamics of the single molecular nanorods (known as Ostwald ripening), the fractionation of a solution of rigid-rod polymers upon physisorption on graphite; and in dry films, i.e. the self-assembly of rigid-rod polymers into nanoribbons with molecular cross sections which can be epitaxially oriented at surfaces and the formation ordered layered architectures of disc-like molecules. In addition the electronic properties of the investigated moieties have been studied by means of Photoelectron Spectroscopies. The nanostructures that have been developed are not only of interest for nanoconstructions on solid surfaces, but also exhibit properties that render them candidates for applications in the field of molecular electronics, in particular for building molecular nanowire devices.

Die Verwendung einzelner Moleküle als aktive Elemente elektronischer Bauteile wird derzeit als potentielle Alternative zur halbleiterbasierten Nanoelektronik angesehen, da einzelne Moleküle a priori nur einige Nanometer groß sind. Auß erdem kann dabei eventuell eine vereinfachte Verarbeitung und Herstellung der Bauteile erreicht werden. In dieser Arbeit werden das Selbstaggregationsverhalten und die Elektrontransporteigenschaften konjugierter Moleküle mit Rastertunnelmikroskopie (RTM) und -spektroskopie (RTS) an einer Fest-Flüssig-Grenzfläche und unter Ultrahochvakuumbedingungen bei tiefen Temperaturen untersucht. Ihre mögliche Verwendung in hybrid-molekularen Bauteilen als auch Ansätze für eine mono-molekulare Elektronik werden erkundet. Insbesondere wird die Nano-Phasenseparation von Elektron-Donor-Akzeptor-Multiaden an der Fest-Flüssig-Grenzfläche demonstriert, die zur Integration verschiedener elektronischer Funktionen auf der Nanoskala benutzt werden kann. Desweiteren wird die Abhängigkeit der elektronischen Kopplung scheibenförmiger gestapelter Moleküle vom lateralen Versatz innerhalb des Stapels experimentell nachgewiesen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten die elektronischen Eigenschaften solcher dreidimensionaler Architekturen gezielt zu beeinflussen. Außerdem werden die ersten RTM/RTS-Untersuchungen von Ladungstransferprozessen in einzelnen organischer Donor-Akzeptor-Komplexe präsentiert. Schließlich werden die Ladungstransferkomplexe mit dem Ansatz der Nano-Phasenseparation kombiniert, um den ersten Einzelmolekültransistor mit intergrierten Nanogates zu realisieren. In diesem prototypischen Bauteil wird die Strom-Spannungs-Kennlinie einer hybrid-molekularen Diode, die aus einem Hexa-peri-hexabenzocoronen (HBC) im Tunnelspalt eines RTMs besteht, durch einen kovalent an das HBC gebundenen Ladungstransferkomplex modifiziert. Dies wird als wichtiger Schritt in Richtung einer mono-molekularen Elektronik angesehen. / The use of single molecules as active components in electronic devices is presently considered a potential alternative to semiconductor-based nano-scale electronics since it directly provides precisely-defined nano-scale components for electronic devices which eventually allows for simple processing and devicefabrication. In this thesis the self-assembly and electron transport properties of conjugated molecules are investigated by means of scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS) at solid-liquid interfaces and under ultrahigh vacuum conditions and low temperatures. The use of the molecules in hybrid-molecular electronic devices and potential approaches to a mono-molecular electronics are explored. In particular, electron-donor-acceptor-multiads are shown to exhibit a nano-phase-segregation at the solid-liquid interface which allows for the integration of different electronic functions at the nano-scale. Furthermore, the dependence of the electronic coupling of stacked disk-like molecules on the lateral off-set in the stack is demonstrated experimentally which offers new possibilities for the control of the electronic properties of these three-dimensional architectures. In addition the first STM/STS experiments on charge transfer in single organic donor-acceptor complexes are presented. Finally, charge transfer complexes are combined with the approach of nano-phase-segregation to realize the first single-molecule transistor with integrated nanometer-sized gates. In this prototypical device the current through a hybrid-molecular diode made from a hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) in the junction of the STM is modified by charge transfer complexes covalently attached to the HBC in the gap. Since the donor which complexes the covalently attached acceptor comes from the ambient fluid the set-up represents a single-molecule chemical field-effect transistor with nanometer-sized gates. This is considered a major step towards mono-molecular electronics.

By flavin's unique structure, nature predestined riboflavin and its derivatives to the participation in redox processes within the bodies of all the living organisms. These biomolecules draw attention with intriguing optical properties and photosensitising abilities. Nature-inspired flavin derivatives share these qualities, and there is also a possibility of fine-tuning for the particular application from the chemical point of view. The thesis deals with two main aims. The first aim handles the synthesis of the trimer heteroaromatic precursor and 1,2-diketone. These key intermediates are essential for the future synthesis of the central aromatic core of the novel NH-free non-fused flavin derivative. The thesis introduces and verifies three approaches, including oxidation of diarylalkynes, nucleophilic addition of a corresponding organolithium compound to a Weinreb amide and benzoin condensation. The second aim covers the properties customization of NH-free fused systems by implementation of linear and bulky alkyl side-chains on the nitrogen atoms N1 and N3 of the alloxazine dilactam. N,N-alkylation introduced an increase in solubility in common organic solvents dichloromethane and chloroform. For the derivatives with 2-(adamantan-1-yl)ethyl substituents, high thermal stability was observed via TGA.

Systeme aus konjugierten Molekülen und Graphenen bergen hohes Potential für Anwendungen. Die Untersuchung ihrer Wechselwirkungsmechanismen ist wichtig für die Entwicklung neuer Anwendungen und Fokus dieser Arbeit: Optische Mikroskopie, Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie werden komplementär verwendet, um die optischen und strukturellen Eigenschaften solcher Systeme zu erforschen. Insbesondere werden (i) die Permeationsbarriere-Eigenschaften von Graphen in-situ auf einem halbleitenden Polymerfilm quantifiziert. Weiterhin werden (ii) die Fluoreszenz- und (iii) Raman-Emission von konjugierten Molekülen in der Nähe von Graphen untersucht und die entsprechenden Kopplungsmechanismen diskutiert. (i) Graphene zeigen sich als effizienter Schutz des empfindlichen Polymers [Poly(3-hexylthiophen)] vor Degeneration durch Sauerstoff und Wasser aus der Umgebungsluft. Dies legt nahe, dass Graphene nicht nur als transparente Elektrode, sondern gleichzeitig als Barriereschicht in künftigen optoelektronischen Bauelementen dienen können. (ii) Es wird gezeigt, dass die bekannten optischen Eigenschaften von Graphen die Existenz stark lokalisierter Graphen-Plasmonen im Sichtbaren implizieren. Durch Verwendung von nanoskaligen Emittern [Rhodamin 6G (R6G)], welche die für effiziente Anregung von Graphen-Plasmonen im optischen Frequenzbereich notwendigen großen Wellenvektor bereitstellen, wird Graphen-Plasmonen-induzierte (GPI) Fluoreszenz-Anregungsverstärkung von nahezu 3 Größenordnungen nachgewiesen. Demnach ist Graphen für plasmonische Bauelemente im Sichtbaren interessant. (iii) Außerdem wird GPI Verstärkung des Raman-Querschnittes von R6G um 1 Größenordnung nachgewiesen. Zukünftige Entwicklung von Antennen für zusätzliche direkte Anregung von Graphen-Plasmonen aus dem Fernfeld macht Graphen vielversprechend für leistungsfähige oberflächenverstärkte Raman-Spektroskopie. Zusammenfassend wurden neue und anwendungsrelevante Einblicke in die analysierten Systeme gewonnen. / Systems of conjugated molecules and graphenes bear high application potential. The investigation of their interaction mechanisms is important for design of new applications and the focus of this thesis: Optical microscopy, spectroscopy and scanning force microscopy are complementarily used to explore the optical and structural properties of such systems. In particular (i) the permeation barrier properties of graphene are quantified in-situ on a semiconducting polymer film. Furthermore (ii) the fluorescence and (iii) Raman emission of conjugated molecules in proximity to graphene are investigated and the respective coupling mechanisms are discussed. (i) Graphenes are found to efficiently protect the sensitive polymer [poly(3-hexylthiophene)] from degradation by oxygen and water from the ambient atmosphere. This suggests that graphenes can not only serve as transparent electrode, but simultaneously as a barrier layer in future optoelectronic devices. (ii) It is shown that the known optical properties of graphene imply the existence of strongly localized graphene plasmons in the visible. Using nanoscale emitters [rhodamine 6G (R6G)] that provide the high wave vectors necessary to efficiently excite graphene plasmons at optical frequencies, graphene plasmon induced (GPI) fluorescence excitation enhancement by nearly 3 orders of magnitude is demonstrated. Graphene is thus interesting for plasmonic devices in the visible. (iii) In addition GPI enhancement of the Raman cross section of R6G by 1 order of magnitude is demonstrated. The future design of antennas for additional direct farfield excitation of graphene plasmons makes graphene promising for powerful surface enhanced Raman spectroscopy. In summary new and application relevant insights were gained into the studied systems.

Cette thèse traite de l'étude du transport de charge à travers les semi-conducteurs organiques au sein de transistors à effet de champ organiques (OFET). Une grande attention a été accordée aux interfaces dans les OFET dont les propriétés ont été accordées pour moduler la réponse transistor. La stabilité de l'appareil en état de commutation et le mécanisme régissant l'injection de charges ont été étudiés systématiquement. Le transport de charge au niveau fondamental à travers les monocouches auto-assemblées comprenant une grande variété des molécules π-conjuguées a été étudié. Dans cette thèse, le processus de transport de charge et différents paramètres affectant ce phénomène sont examinées en détail par la fabrication et la caractérisation de trois terminaux basés sur des architectures OFET et deux dispositifs de jonctions terminales constituées d’une couche mono-moléculaire sur la surface de l'électrode métallique. Parmi les différents aspects relatifs à l'injection de charge dans des transistors organiques macroscopiques à couches minces, un accent particulier a été mis sur l'interface de l’engineering en réglant (i) le diélectrique / l’interface semi-conducteur, et (ii) l'électrode en métal / le semi-conducteur. Pour explorer les aspects régissant le transport de charge dans le canal de l'appareil, nous avons étudié la propriété de (iii) la mobilité intrinsèque dans la semi-conductivité des matériaux et (iv) l'utilisation de mélanges dans la couche active du dispositif. A l’échelle nanométrique, le transport de charge, grâce à une mono-couche moléculaire chimisorbé sur des électrodes métalliques, a été étudié. Pour effectuer la caractérisation électrique sur la mono couche auto-assemblée (SAM), nous avons construit un système de configuration comprenant des alliages eutectiques de gallium et d'indium liquide métallique (GainE) comme électrode. / This thesis deals with the study of charge transport through organic semiconductors incorporated in Organic Field-Effect Transistors (OFETs). Great attention is given to the interfaces in the OFETs and the properties of which were tuned to modulate transistor response. The stability of the device under switching states and the mechanism governing charge injection were studied systematically. In a fundamental level the charge transport through self-assembled monolayers comprising of variety of π-conjugated molecules were investigated. In this thesis the charge transport process and different parameters affecting this phenomenon are investigated in detail by fabrication and characterization of three terminal devices based on OFET architectures and two terminal devices consisting junctions incorporating mono-molecular layer on surface of metal electrode. Among the different aspects governing the charge injection in macroscopic organic thin film transistors particular emphasis was given to the interface engineering by tuning the (i) Dielectric/semiconductor interface, and (ii) Metal electrode/semiconductor. To explore aspects governing charge transport within the channel of the device we investigated the property of (iii) semiconductor intrinsic mobility and (iv) usage of blends in the active layer of the transistor. On the nanoscale the charge transport through a mono molecular layer chemisorbed onto metal electrodes was investigated. To perform electrical characterization on self-assembled monolayer (SAM) a custom in-house setup comprising of eutectic alloy of liquid metallic gallium indium (GaInE) probe electrode was built.