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
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:73301 |
| Date | 12 January 2021 |
| Creators | Gmelch, Max |
| Contributors | Reineke, Sebastian, Korn, Tobias, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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