Les travaux décrits dans cette thèse ont porté sur l'application de méthodes de la chimie quantique à l'étude de différents types et familles de composés chimiques, à savoir, des clusters encapsulant des anions et des complexes inorganiques de métaux de transition. On s'est particulièrement intéressé à la structure géométrique, la structure électronique et aux relations structures-propriétés optiques de systèmes moléculaires stables et bien caractérisés. / The work reported in this manuscript deals with the applications of quantum chemistry tools on several types and families of chemical compounds, i. e., clusters entrapping anions and transition metals inorganic complexes. We have mainly focused our attention on the geometrical structure, the electronic structure and on the relationship between structure and optical properties of stable molecules which have been synthesized and characterized.

Organic phosphorescence at room temperature is a strongly growing field of research. Together with fluorescence, it describes the radiative transitions of organic molecules after excitation with light of appropriate wavelength. While fluorescence is a process on the nanosecond timescale, organic phosphorescence is known to show afterglow emission in the lifetime range of microseconds to seconds. These long timescales result from quantum-mechanical restrictions in the transition processes underlying the phosphorescence. Namely, the involved electrons of the molecule have to undergo a spin flip, which is forbidden in zeroth-order approximation due to the necessity of conservation of angular momentum. In consequence, this emission feature of organic materials in general is obstructed at ambient temperature by dominating nonradiative deactivation channels. However, by careful design of the system, efficient phosphorescence at room temperature can be realized. In recent years, the number of publications introducing new organic phosphorescent emitters has continuously increased. However, to that date, the high quantity of described materials is not matched by an adequate amount of proposed applications. In fact, most publications present the synthesis of the substances as well as the morphology of the system, but only briefly address possible subsequent developing steps. In this thesis, as a first step, recent developments in that area are compiled to a broad overview, which includes proposed applications like sensing and optical data storage. Beyond that, a newly detected photophysical effect is introduced and evaluated, which enables the reversible activation of phosphorescence in a thin and transparent film. Since for many emitter materials the presence of adjacent molecular oxygen leads to a complete vanishing of phosphorescence, this emission can locally be tuned by manipulating the respective oxygen concentration. It is shown that a very elegant, non-contact way of achieving that is by using light of different wavelengths only. In detail, radiation in the near UV or blue regime can induce a chemical reaction of the oxygen and its environment, leading to an oxygen depletion at the illuminated regions. By covering the system with suitable barrier layers, no fresh oxygen can refill the system and phosphorescence becomes visible at the respective areas. By that, any luminescent image can be programmed into the transparent layers and be read out on demand. In addition, subsequent illumination with infrared radiation leads to a rise of the overall temperature, which consequently increases the permeability of the oxygen barrier. Therefore, the system is refilled with molecular oxygen and the pattern is erased. In a next step, new images can be written into the device. When not read out by illumination with appropriate light, the system is completely transparent and does not reveal the programmed information. That enables the fabrication of programmable luminescent tags, which allow multiple cycles of writing, reading and erasing, and thus may be used for temporary labeling in logistics or for invisible document security. Prototypes of the mentioned applications are manufactured and tested in this work, revealing the feasibility of their realization. The overall procedure as well as the device structure are part of patent applications. As a further part of the thesis, the characterization of multiple organic emitters and additives reveals that the effect of switchable phosphorescence is not limited to a particular material combination, but is rather a very general behavior. In consequence, device features like emission color, pattern contrast, or wavelength sensitivity are successfully optimized using suitable available organic systems. In order to facilitate a targeted development of new phosphorescent emitters in the future, the decisive demands on the materials to enable programmable tags are defined. Conclusively, more application pathways are depicted, of which one already successfully gained funding by the Federal Ministry of Education and Research of Germany. In this follow-up study, the suitability of the discovered results on sensing of UV radiation will be examined. With two more submitted proposals building up on the presented developments, the results of this thesis open up a broad range of further work both from the scientific and the engineering point of view.:1. Introduction 2. Theory 3. Methods 4. Basic Principles of Programmable Luminescent Tags (PLTs) 5. Characterization of Guest Materials 6. Optimization via Diversification: PLTs with Various Material Systems 7. Conclusions and Outlook / Organische Phosphoreszenz bei Raumtemperatur ist ein aktuell stark wachsendes Forschungsgebiet. Gemeinsam mit der Fluoreszenz beschreibt sie strahlende Übergänge von organischen Molekülen nach der Anregung mit Licht passender Wellenlänge. Während Fluoreszenz ein Prozess auf einer Zeitskala von Nanosekunden ist, zeigt organische Phosphoreszenz typischerweise ein längeres Nachleuchten im Bereich von Mikrosekunden bis Sekunden. Dieses resultiert daraus, dass die Übergangsprozesse, die zur Phosphoreszenz führen, quantenmechanisch nicht erlaubt sind. Die beteiligten Elektronen müssen sich einem Spin-Flip unterziehen, welcher in nullter Näherung aufgrund der Drehimpulserhaltung verboten ist. Infolgedessen wird die Phosphoreszenz organischer Materialien bei Umgebungstemperatur üblicherweise durch dominierende nichtstrahlende Relaxationswege unterdrückt. Durch gezielte Materialentwicklung lässt sich dennoch effiziente Phosphoreszenz realisieren. In den letzten Jahren ist die Zahl der Publikationen, in denen neue organische phosphoreszierende Emitter vorgestellt wurden, kontinuierlich gestiegen. Dieser hohen Auswahl an Materialien steht aktuell jedoch keine ausreichende Anzahl von Vorschlägen potentieller Anwendungen gegenüber. Tatsächlich stellen die meisten Publikationen die Synthese der Substanzen und die Morphologie des Systems vor, gehen aber nur kurz auf mögliche weitere Entwicklungsschritte ein. In dieser Arbeit werden nun zunächst die jüngsten Entwicklungen auf diesem Gebiet zu einem breiten Überblick zusammengestellt, der auch einige der vorgeschlagenen Anwendungen wie Sensorik und optische Datenspeicherung umfasst. Darüber hinaus wird ein neu entdeckter photophysikalischer Effekt vorgestellt und bewertet, der die reversible Aktivierung von Phosphoreszenz in einem dünnen und transparenten Film ermöglicht. Da bei vielen organischen Emittermaterialien die Nähe zu molekularem Sauerstoff zu einem vollständigen Verschwinden der Phosphoreszenz führt, kann diese Emission lokal durch Veränderung der Sauerstoffkonzentration beeinflusst werden. Eine sehr elegante, berührungslose Methode hierfür ist die zielgerichtete Bestrahlung mit Licht verschiedener Wellenlängen. So kann Strahlung im nahen UV- oder im blauen Bereich eine chemische Reaktion des Sauerstoffs mit seiner Umgebung auslösen, die zu einer Abnahme der Sauerstoffmenge in den beleuchteten Bereichen führt. Durch eine zusätzlich aufgebrachte Barriereschicht kann kein frischer Sauerstoff in das System nachströmen, weshalb an den entsprechenden beleuchteten Stellen nach ausreichender Bestrahlung Phosphoreszenz sichtbar wird. Dadurch kann ein beliebiges lumineszentes Muster in die transparenten Schichten einprogrammiert und bei Bedarf ausgelesen werden. Durch die Beleuchtung mit Infrarotstrahlung hingegen wird die Temperatur und damit auch die Durchlässigkeit der Sauerstoffbarriere erhöht. So wird das System mit molekularem Sauerstoff wieder aufgefüllt und die Phosphoreszenz verschwindet. Daraufhin können erneut Bilder in die Folie geschrieben werden. Wenn nicht durch Bestrahlung mit entsprechendem Licht ausgelesen, ist das System völlig transparent und lässt das eingeschriebene Muster nicht erkennen. Dies ermöglicht die Herstellung von programmierbaren lumineszenten Etiketten, die mehrere Schreib-, Lese- und Löschzyklen ermöglichen und somit zur temporären Beschriftung in der Logistik oder zur unsichtbaren Dokumentensicherung eingesetzt werden können. Die Machbarkeit der genannten Anwendungen wird in der Arbeit durch die Herstellung funktionierender Prototypen aufgezeigt. Sowohl das Gesamtverfahren von Aktivierung und Deaktivierung als auch der Aufbau des Systems sind Teil von Patentanmeldungen. Die im Rahmen dieser Arbeit erfolgte Charakterisierung weiterer organischer Emitter und Additive zeigt, dass der Effekt der schaltbaren Phosphoreszenz nicht auf eine bestimmte Materialkombination beschränkt ist, sondern ein sehr allgemeingültiges Verhalten darstellt. Deshalb werden Eigenschaften der Materialsysteme wie die Emissionsfarbe, der Kontrast der Muster oder die Empfindlichkeit gegenüber verschiedenen Lichtwellenlängen mit geeigneten Kombinationen optimiert. Um in Zukunft eine gezielte Entwicklung von organischen phosphoreszierenden Emittern zu ermöglichen, werden die entscheidenden Anforderungen an die Materialien bezüglich ihres Einsatzes in programmierbaren Etiketten dargestellt. Abschließend werden potentielle weitere Entwicklungsrichtungen hin zu weiteren Anwendungen beschrieben, von denen eine bereits Gegenstand von erfolgreich eingeworbener Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung ist. In dieser Folgestudie wird die Eignung der gefundenen Ergebnisse zur Messung von UV-Strahlung untersucht. Mit zwei weiteren eingereichten Anträgen, die auf den vorgestellten Entwicklungen aufbauen, eröffnen die Ergebnisse dieser Arbeit sowohl aus wissenschaftlicher als auch aus technischer Sicht ein breites Spektrum weiterer Forschungsarbeiten.:1. Introduction 2. Theory 3. Methods 4. Basic Principles of Programmable Luminescent Tags (PLTs) 5. Characterization of Guest Materials 6. Optimization via Diversification: PLTs with Various Material Systems 7. Conclusions and Outlook

This work focusses on the high brightness performance of phosphorescent organic light-emitting diodes (OLEDs). The use of phosphorescent emitter molecules in OLEDs is essential to realize internal electron-photon conversion efficiencies of 100 %. However, due to their molecular nature, the excited triplet states have orders of magnitude longer time constants compared to their fluorescent counterparts which, in turn, strongly increases the probability of bimolecular annihilation. As a consequence, the efficiencies of phosphorescent OLEDs decline at high brightness – an effect known as efficiency roll-off, for which it has been shown to be dominated by triplet-triplet annihilation (TTA). In this work, TTA of the archetype phosphorescent emitter Ir(ppy)3 is investi- gated in time-resolved photoluminescence experiments. For the widely used mixed system CBP:Ir(ppy)3, host-guest TTA – an additional unwanted TTA channel – is experimentally observed at high excitation levels. By using matrix materials with higher triplet energies, this effect is efficiently suppressed, however further studies show that the efficiency roll-off of Ir(ppy)3 is much more pronounced than predicted by a model based on Förster-type energy transfer, which marks the intrinsic limit for TTA. These results suggest that the emitter molecules show a strong tendency to form aggregates in the mixed film as the origin for enhanced TTA. Transmission electron microscopy images of Ir(ppy)3 doped mixed films give direct proof of emitter aggregates. Based on these results, two concepts are developed that improve the high brightness performance of OLEDs. In a first approach, thin intrinsic matrix interlayers are incorporated in the emission layer leading to a one-dimensional exciton confinement that suppresses exciton migration and, consequently, TTA. The second concept reduces the efficiency roll-off by using an emitter molecule with slightly differ- ent chemical structure, i.e. Ir(ppy)2(acac). Compared to Ir(ppy)3, this emitter has a much smaller ground state dipole moment, suggesting that the improved performance is a result of weaker aggregation in the mixed film. The knowledge gained in the investigation of triplet-triplet annihilation is further used to develop a novel emission layer design for white organic LEDs. It comprises three phosphorescent emitters for blue, green, and red emission embedded in a multilayer architecture. The key feature of this concept is the matrix material used for the blue emitter FIrpic: Its triplet energy is in resonance with the FIrpic excited state energy which enables low operating voltages and high power efficiencies by reducing thermal relaxation. In order to further increase the device efficiency, the OLED architecture is optically optimized using high refractive index substrates and thick electron transport layers. These devices reach efficiencies which are on par with fluorescent tubes – the current efficiency benchmark for light sources. / Diese Arbeit richtet ihren Fokus auf die Untersuchung der Leistungsfähigkeit von phosphoreszenten, Licht-emittierenden organischen Dioden (OLEDs) im Bereich hoher Betriebshelligkeiten. Phosphoreszente Emittermoleku ̈le werden in OLEDs eingesetzt, um interne Elektron-Photon Konversionseffizienzen von 100% zu erreichen. Begründet in ihrer chemischen Struktur, weisen die angeregten Triplett-Zustände dieser Emitter um Größenordnungen längere Zeitkonstanten als die Emission fluo- reszenter Materialien auf, sodass die Wahrscheinlichkeit bimolekularer Auslöschung stark ansteigt. Dies resultiert in einem deutlichen Effizienzrückgang phosphoreszenter OLEDs bei großen Leuchtdichten. Dieser als Roll-off bekannter Effekt wird bei hohen Anregungsdichten hauptsächlich durch Triplett-Triplett Annihilation (TTA) bestimmt. In der Arbeit wird TTA an einem Modellmolekül, dem phosphoreszenten Emit- ter Ir(ppy)3, in zeitaufgelösten Photolumineszenz Experimenten untersucht. Für das bekannte Emittersystem CBP:Ir(ppy)3 wird bei hohen Anregungsdichten Host-Guest TTA beobachtet, was einen zusätzlichen, ungewünschten TTA Kanal darstellt. Dieser Effekt wird durch das Verwenden von Matrix Materialien mit höherer Triplett Energie vermieden, jedoch zeigt sich in weiteren Untersuchungen, dass der Roll-off deutlich stärker ist als von einem auf Förster Energieübertrag basierendem Modell vorhergesagt, welches selbst ein intrinsisches Limit für TTA in phosphoreszenten Systemen beschreibt. Die Diskrepanz zwischen experimenteller Beobachtung und Modellvorhersage wird durch eine starke Tendenz des Emitters, Aggregate zu bilden, erklärt, was TTA deutlich verstärkt. Diese Aggregate werden mit Hilfe von Transmissionselektronenmikroskopie an Ir(ppy)3-dotierten Mischsystemen direkt nachgewiesen. Basierend auf diesen Resultaten werden zwei Konzepte entwickelt, um die Effizienz phosphoreszenter Systeme bei hohen Helligkeiten zu verbessern. Im ersten Ansatz werden dünne intrinsische Schichten des Matrixmaterials in die Emissionsschicht eingebaut, was die Exzitonenbewegung in einer Raumrichtung und damit auch TTA stark unterdrückt. Das zweite Konzept reduziert den Effizienz Roll-off durch die Verwendung eines phosphoreszenten Emitters Ir(ppy)2(acac) mit einer leicht abgeänderten Molekularstruktur. Im Vergleich mit Ir(ppy)3 weist dieser ein deutlich kleineres Dipolmoment im molekularen Grundzustand auf, wodurch die Aggregation vermindert wird. Aufbauend auf den Ergebnissen der TTA wird ein neuartiges Emissionsschicht-Design für weißes Licht entwickelt. In diesem Konzept werden drei phosphoreszente Materialien für blaue, grüne und rote Farbe in eine Vielschicht-Architektur eingebracht. Das Hauptmerkmal der Emissionsschicht ist die Wahl des Matrix-Materials für dem blauen Emitter FIrpic: Seine Triplett Energie liegt resonant zu dem FIrpic Triplett Zustand, wodurch niedrige Betriebsspannungen und hohe Leistungseffizienzen ermöglicht werden, da die thermische Relaxierung reduziert wird. Um die Ef- fizienz dieser weißen OLEDs weiter zu erhöhen, wird die entwickelte OLED Architektur zusätzlich durch die Verwendung von hochbrechenden Substraten und dicken Elektronen-Transportschichten optisch optimiert. Bei beleuchtungsrelevanten Helligkeiten erreichen diese OLEDs das Effizienzniveau von Leuchtstoffröhren – letztere stellen heute den Effizienz-Maßstab dar.

Las marcas viales constituyen la única guía óptica que en muchas ocasiones tienen los usuarios de la vía, su correcta aplicación y conservación nos puede llegar a determinar la gravedad de un accidente hasta el punto de poder llegar a evitarlo. Por tanto, el correcto mantenimiento y repintado de la señalización vial horizontal en las carreteras convencionales a nivel mundial y de la red viaria española en particular, la investigación en nuevas combinaciones de materiales y el estudio de su durabilidad dependiendo del posicionamiento que ocupa la marca vial en carretera, nos aportan, sin duda, un apoyo útil para progresar en la lucha contra la accidentalidad vial. Por ese motivo, se ha investigado, no sólo la evolución temporal de las características fundamentales de la señalización vial horizontal como son: la visibilidad diurna, la visibilidad nocturna y la resistencia al deslizamiento de nuevas combinaciones de materiales de post-mezclado y materiales base, como es la pintura fosforescente; sino que, al mismo tiempo, se ha elaborado una relación y un estudio de la vida útil de la marca vial atendiendo a sus características fundamentales según la zona de la calzada que ocupa esa marca vial, estableciendo las pautas de comportamiento de las mismas y cuándo reemplazarlas por no cumplir con los criterios mínimos de aceptación, relacionando la sección de desgaste a cada una de las marcas viales que podemos encontrar en las carreteras convencionales de la red viaria española. Para ello, hemos elaborado un testing ground (TG1), en la carretera CV-904, con un total de 36 samples, teniendo para cada sentido de circulación 18 combinaciones de materiales atendiendo a material base y material de post-mezclado (microesferas de vidrio, cargas antideslizantes no transparentes y grano de vidrio transparente), y a su sistema de aplicación (monolayer o bilayer). Además, hemos ejecutado un segundo testing ground (TG2), en la ronda interna de la propia Universidad de Alicante, donde, partiendo de los conocimientos obtenidos en el primer estudio, se han fabricado nuevas combinaciones de materiales incluyendo el material base, diferentes tipos de microesferas de vidrio y cargas antideslizantes como parte del material de post-mezclado, se ha añadido pintura con pigmentos fosforescentes para mejorar la visibilidad nocturna y barniz de recubrimiento premezclado con agregados antideslizantes para prolongar la vida útil de la marca vial, fabricando un total de 40 samples analizadas en laboratorio. No sólo se han estudiado los resultados de los parámetros fundamentales de cada sample, sino que nos hemos apoyado en la toma de fotografías in situ analizándolas cualitativamente, lo que nos ha ayudado a comprender su evolución y los resultados. Al mismo tiempo hemos tomado muestras de todas ellas para su observación en laboratorio. Tras la comparativa entre la evolución de cada característica principal de las probetas y su análisis, hemos establecido los períodos de la vida útil de cada una de ellas según la zona de afección en la que están ubicadas atendiendo a la Norma 8.2-IC. Cabe destacar que se ha dejado la línea de investigación relacionada con la interconexión entre el vehículo autónomo, la infraestructura viaria y la señalización vial horizontal abierta como principal futura línea de investigación.

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Previous work was successful at delineating reaction pathways for the photoactivated synthesis of an amine, [CztBu(PyriPr)(NH2−PyriPr)], by double intramolecular C−H activation and functionalization via irradiating a metal(II) azido complex, [CztBu(PyriPr)2NiN3. The present work seeks to expand upon earlier research, and to substitute the metal with iron or cobalt, and to expand the study to photocatalyzed intermolecular C−H activation and functionalization of organic substrates. Density functional theory (DFT) – B3LYP/6-31+G(d') and APFD/Def2TZVP – and time-dependent density functional theory (TDDFT) were used to propose a detailed pathway comprised of intermediates of low, intermediate, or high spin multiplicity and photo-generated excited states for the reaction of the azido complex, [CztBu(PyriPr)2MN3] to form the amine complex [CztBu(PyriPr)M(NH2−PyriPr)], M = Co, Ni or Fe, and the intermediates along the reaction pathway. For applications on quantum computing, the photophysical properties of photoactive d8 nickel(II) complexes are modeled. Such systems take advantage of a two-level system pathway between ground to excited state electronic transitions and could be useful for the discovery of successful candidates for a room temperature qubit, the analogue of a classical computational bit. A modified organometallic model, inspired by a nitrogen vacancy selective intersystem crossing model in diamond, was developed to take advantage of the formation of excited states. Tanabe-Sugano diagrams predict areas where these excited states may relax via phosphorescent emission. Under Zeeman splitting, these transitions create the conditions required for a two-level system needed to design a functional organometallic qubit.

No description available.

The development of organic materials displaying room-temperature phosphorescence is a research field that has attracted more and more attention in the last years. Most studies focus on designing or optimizing emitter molecules to increase the phosphorescent performance in host:emitter systems. Rarely, the overall thin-film preparation routines are compared with respect to their triplet-state luminescence yield. Herein, different film preparation techniques are investigated using the very same emitter molecule. A variation of host polymer, post-annealing temperature, and fabrication procedure is evaluated with respect to the obtained phosphorescent lifetime, photoluminescent quantum yield, and phosphorescence-to-luminescence ratio. This study elaborates the importance of different film preparation techniques and gathers a concise set of data which is helpful to anyone optimizing the phosphorescence of a particular system.

In the medical field, the applications of ultraviolet (UV) radiation are limited to skin or reachable sites due to its low penetration depth into biological tissue. Contrary to UV radiation, X-rays can penetrate the body with almost no attenuation, but they result in toxic side effects. Inorganic scintillators absorb X-rays and convert them into UV or visible photons and are usually used for medical imaging. We propose the use of high density inorganic nanoscale scintillators with the ability to absorb externally applied ionizing radiation directly at the site of application, e.g., inside a tumor, and to convert this ionizing radiation into UV photons in situ, enabling new biomedical applications inside the body. In this thesis, two specific new biomedical applications are discussed in detail: The first application is the use of UV-B emitting nanoscale scintillators for highly localized drugs released or activation of photoactivable therapeutics using only X-rays. The second novel approach is the use of UV-C emitting nanoscale scintillators as radiation sensitizers. However, size-reduction of inorganic scintillators, and most inorganic phosphors in general, usually result in quenching of the photoluminescence properties, defects on the surface of the particles, and a decrease of radiation hardness. Colloidal solutions of nearly monodisperse LaPO4:Gd nanocrystals (5nm) were shown to strongly emit UV radiation upon excitation with X-rays or vacuum UV radiation (160nm). The UV emission of the particles consisted mainly of a single line at 311nm. This UV-B emission of the particles was used to excite the fluorescence of laser dyes dissolved in the colloids. The emission of the dyes was also observed in the case of high dye concentrations, proving that the concept of using radiation with a high penetration depth (X-rays) to excite fluorescence emission with a low penetration depth (UV-B) wavelength is feasible. Pr-doped LuPO4 emits UV-C radiation between 225 and 280nm, where DNA shows strong absorption bands. Therefore, a systematic study of the luminescence of LuPO4:Pr was performed: Different doping concentrations, particle sizes, and excitation sources were compared. Furthermore, it was found that Pr and Nd co-doped LuPO4 results in increased UV-C emission independent of excitation source due to energy transfer. The highest UV-C emission intensity was observed for LuPO4:Pr,Nd(1%,2.5%) upon X-ray irradiation. Finally, LuPO4:Pr,Nd nanoparticles were synthesized, and the biological efficacy of the combined approach (X-rays and UV-C) was assessed using the colony formation assay. Cell culture experiments confirm increased cell death compared to X-rays alone due to the formation of UV-specific DNA damages, supporting the application of the herein synthesized particles as radiation sensitizers.

A series of phosphorescent bimetallic platinum(II) complexes is presented, which were synthesized by the combination of bidentate cyclometalated N-heterocyclic carbene ligands and different bridging diphenylformamidinates. The complexes were characterized by standard techniques and additionally two solid-state structures could be obtained. Photoluminescence measurements revealed the strong emissive behavior of the compounds with quantum yields of up to 90 % and emission lifetimes of approx. 2 μs. The effect of the substitution pattern in the bridging ligands on the structural and photophysical properties of the complexes was examined in detail and rationalized by density functional theory calculations (PBE0/6-311G*).