The goal of this thesis was to investigate the influence of rotational restriction between individual parts and of the varying electron density in the bridging unit of D B A systems on the exchange interaction 2J, and thus the electronic coupling between a donor state and an acceptor state. A better understanding of how to influence the underlaying spin dynamics in such donor acceptor systems can open up the door to new technologies, such as modern molecular electronics or optoelectronic devices.
Therefore, three series of molecules consisting of a TAA electron donor, a TTC or ATC bridging unit and a PDI electron acceptor were studied. To investigate the influence of rotational restriction on 2J and the electronic coupling, a series of four rotationally hindered triads (chapter 6) was synthesised. The dihedral angle between the TAA and the TTC as well as between the TTC and the PDI was restricted by ortho methyl groups at the phenylene linkers of the connecting ends to the TTC bridge, producing a twist around the linking single bond which minimises the π overlap. The triads exhibit varying numbers of ortho methyl groups and therefore different degrees of rotational restriction. In order to shine light on the influence of varying electron density on 2J and the electronic coupling, a series of four substituted triptycene triads (chapter 7) was synthesised. The electron density in the TTC bridging unit was varied by electron donating and electron withdrawing groups in 12,13 position of the TTC bridging unit and thus varying its HOMO/LUMO energy. The last series of two anthracene bridge triads (chapter 8) connected both approaches by restricting the rotation with ortho methyl groups and simultaneously by varying the bridge energies.
In order to obtain the electronic properties, steady state absorption and emission spectra of all triads were investigated (chapter 4). Here, all triads show spectral features associated with the separate absorption bands of TAA and the PDI moiety. The reduced QYs, compared to the unsubstituted PDI acceptor, indicate a non radiative quenching mechanism in all triads. The CV data (chapter 5) were used to calculate the energies of possible CSSs and those results were used to assign the CR dynamics into the different Marcus regions. fs TA measurements reveal that all triads form a CSS upon excitation of the PDI moiety. The lifetimes of the involved states and the rate constants were determined by global exponential fits and global target analysis. The CR dynamics upon depopulation of the CSSs were investigated using external magnetic field dependent ns TA spectroscopy. The ns TA maps show that all triads recombine via CRT pathway populating the local 3PDI state in toluene and provided the respective lifetimes. The approximate QYs of triplet formation were determined using actinometry. The magnetic field dependent ns TA data reveal the exchange interaction 2J between singlet and triplet CSS for each triad. Those magnetic field dependent ns TA data in toluene were furthermore treated using a quantum mechanical simulation (done by U.E. Steiner) to extract the rate constants kT and kS for CRT and CRS, respectively. However, the error margins of kS were rather wide. Finally, the electronic couplings between the donor and the acceptor states were obtained by combining the aforementioned experimental results of the rate constants and applying the Bixon Jortner theoretical description of diabatic ET and Andersons perturbative theory of the exchange coupling. Therefore, the experimentally determined values of 2J and the calculated values of kCS and kT were used. The rate constant kS was calculated based on the electronic coupling V1CSS 1S0.
The rotationally hindered triads (chapter 6) show a strong influence of the degree of rotational restriction on the lifetimes and rate constants of the CS processes. The rate constants of CS are increasing with increasing rotational freedom. The magnetic field dependent decay data show that the exchange interactions increase with increasing rotational freedom. Based on the CR dynamics, the calculated electronic couplings of the ET processes reflect the same trend along the series. Here, only singlet couplings turned out to be strongly influenced while the triplet couplings are not. Therefore, this series shows that the ET dynamics of donor acceptor systems can strongly be influenced by restricting the rotational freedom.
In the substituted triptycene triads (chapter 7), decreasing electron density in the bridging unit causes a decrease of the CS rate constants. The magnetic field dependent decay data show that with decreasing electron density in the bridge the exchange interaction decreases. The CR dynamics-based rate constants and the electronic couplings follow the same trend as the exchange interaction. This series shows that varying the HOMO/LUMO levels of the connecting bridge between donor and acceptor strongly influences the ET processes.
In the anthracene bridge triads (chapter 8), the CS process is slow in both triads. The CR was fast in the anthracene triad and is slowed down in the methoxy substituted anthracene bridge triad. The increase of the exchange interaction with increasing electron density in the bridge was more pronounced than in the substituted triptycene triads. Thus, the variation of electron density in the bridge strongly influences the ET processes even though the rotation is restricted.
In this thesis, it was shown that the influence of the rotational hindrance as well as the electron density in a connecting bridge have strong influence on all ET processes and the electronic coupling in donor acceptor systems. These approaches can therefore be used to modify magnetic properties of new materials. / Das Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss von Rotationshinderung zwischen einzelnen Bausteinen und Variation der Elektronendichte in der Brückeneinheit eines Donor Brücke Akzeptor Systems auf die Austauschwechselwirkung 2J und somit die elektronische Kopplung zwischen dem Donor- und dem Akzeptor-Zustand zu untersuchen. Ein besseres Verständnis der zugrundeliegenden Spindynamiken in solchen Donor Akzeptor Systemen - und wie diese beeinflusst werden können - kann einen Zugang zu neuen Technologien wie molekularer Elektronik oder optoelektronischen Geräten ermöglichen.
Im Zuge dessen wurden drei Molekülreihen, bestehend aus einem TAA Elektronendonor, einer TTC oder ATC Brücke und einem PDI Elektronenakzeptor, untersucht. Der Einfluss von eingeschränkter Rotation zwischen den einzelnen Bausteinen auf die Austauschwechselwirkung und die elektronische Kopplung wurde anhand einer Reihe von rotationsgehinderten Triaden (Kapitel 6) untersucht. Der Winkel zwischen der TAA und der TTC Einheit sowie zwischen der TTC und der PDI Einheit wurde durch ortho ständige Methylgruppen eingeschränkt. Dies führt zu einer Verdrillung um die verbrückende Einfachbindung. Um unterschiedliche Grade der Rotationshinderung zu erzielen, wurden die Triaden mit einer unterschiedlichen Anzahl von ortho Methylgruppen substituiert. Des Weiteren wurde eine Reihe, bestehend aus vier Triptycen substituierten Triaden (Kapitel 7), synthetisiert, um den Einfluss variierender Elektronendichte auf 2J und die elektronische Kopplung zu untersuchen. Die Elektronendichte in der TTC-Brückeneinheit wurde durch elektronenschiebende und elektronenziehende Gruppen in 12,13-Position an der TTC-Brückeneinheit variiert, was eine Änderung der HOMO/LUMO-Energien der Brücke zur Folge hat. Die letzte Reihe besteht aus zwei Anthracen verbrückten Triaden (Kapitel 8) und stellt die Kombination beider Ansätze dar. Um dies zu erzielen wurde die Rotation durch ortho-Methylgruppen vollständig unterdrückt und gleichzeitig die Brückenenergie verändert.
Um die elektronischen Eigenschaften der Triaden zu untersuchen, wurden zunächst die stationären Absorptions und Emissionseigenschaften betrachtet (Kapitel 4). Die Absorptionsbanden können in allen Triaden der TAA sowie der PDI Einheit zugeordnet werden. Die Fluoreszenz Quantenausbeuten weisen, verglichen mit dem reinen PDI Akzeptor, deutlich geringere Werte auf. Dies deutet auf einen alternativen, nicht strahlenden Desaktivierungspfad hin. Mit Hilfe der CV Daten (Kapitel 5) wurde die Energie des ladungsgetrennten Zustandes für jede Triade berechnet und die Ladungsrekombinationspfade in die jeweiligen Marcus Regionen eingeordnet. fs transiente Absorptionsmessungen zeigen, dass alle Triaden einen ladungsgetrennten Zustand ausbilden. Die Lebenszeiten der beteiligten Zustände wurden mit Hilfe eines globalen exponentiellen Fits und die Ratenkonstanten mit Hilfe einer globalen Targetanalyse bestimmt. Die Ladungsrekombinationsdynamiken wurden mit Hilfe magnetfeldabhängiger ns transienter Absorptionsmessungen betrachtet. Die ns transienten Karten zeigen, dass alle Triaden in Toluol über den Triplett Rekombinationspfad in den lokalen Triplettzustand des PDI rekombinieren. Des Weiteren lieferten diese Messungen die Lebenszeiten des ladungsgetrennten Zustandes. Die Quantenausbeuten der Bildung des Triplettzustandes wurden mittels Actinometrie abgeschätzt. Mit Hilfe der magnetfeldabhängigen ns transienten Messungen konnte die Austauschwechselwirkung zwischen dem singulett und dem triplett ladungsgetrennten Zustand für jede Triade bestimmt werden. Um die Ratenkonstanten kT and kS der Triplett und Singulett Rekombination zu erhalten, wurden die Daten der magnetfeldabhängigen ns transienten Messungen mittels einer quantendynamischen Simulation untersucht (durchgeführt von U. E. Steiner, Universität Konstanz). Hierbei waren die Fehlergrenzen für kS jedoch sehr groß. Die elektronischen Kopplungen wurden mit Hilfe der Bixon Jortner Theorie des diabatischen elektronen Transfers und Andersons störungstheoritischem Ansatz zur Beschreibung der Austauschwechselwirkung aus den experimentellen Daten sowie den Ratenkonstanten berechnet. Hierfür wurden die die experimentell bestimmten 2J Werte sowie die berechneten Werte von kCS und kT verwendet. Um ein umfassendes Bild zu erhalten wurden die Ratenkonstanten kS aus den elektronischen Kopplungen V1CSS 1S0 berechnet.
Die rotationsgehinderten Triaden (Kapitel 6) weisen eine starke Abhängigkeit der Ratenkonstanten des Ladungstrennungsprozesses vom Grad der Rotationseinschränkung auf. Hierbei steigen die Werte der Ratenkonstanten mit zunehmender Rotationsfreiheit. Der selbe Trend kann in der Austauschwechselwirkung bei Betrachtung der magnetfeldabhängigen Abklingkurven beobachtet werden. Des Weiteren zeigen die berechneten elektronischen Kopplungen ebenfalls eine Zunahme bei gesteigerter Rotationsfreiheit. Hierbei war zu beobachten, dass nur die Singulett Kopplungen von der Rotation beeinflusst wurden, Triplett Kopplungen jedoch nahezu unverändert blieben. Mit Hilfe dieser Reihe wurde gezeigt, dass Elektrontransferdynamiken durch Rotationseinschränkung beeinflusst werden können.
In der Reihe der substituierten Triptycen Triaden (Kapitel 7) führt eine Abnahme der Elektronendichte in der Brücke zu einer Verringerung der Ratenkonstanten des Ladungstrennungsprozesses. Die Daten der magnetfeldabhängigen Abklingkurven zeigen, dass die Austauschwechselwirkung ebenfalls mit verringerter Elektronendichte in der Brücke abnimmt. Die berechneten elektronischen Kopplungen folgen dem Trend der Austauschwechselwirkung. Anhand dieser Reihe konnte gezeigt werden, dass Elektronentransferprozesse durch Veränderung der Brückenenergien beeinflusst werden können.
In den Anthracen Brücken Triaden (Kapitel 8) ist die Ladungstrennung für beide Triaden langsam. Die Ladungsrekombination wird durch den elektronenschiebenden Effekt der Methoxygruppen, verlangsamt. Die Austauschwechselwirkung nimmt mit steigender Elektronendichte in der Brücke zu, wobei dieser Effekt stärker ausgeprägt ist als in den Triptycen substituierten Triaden. Die Variation der Elektronendichte hat somit, trotz vollständig gehinderter Rotation, einen starken Einfluss auf die Elektronentransferdynamiken.
In dieser Arbeit konnte gezeigt werden, dass gehinderte Rotation und variierende Elektronendichte in einer Brückeneinheit einen starken Einfluss auf die Elektronentransferdynamiken und die elektronischen Kopplungen in Donor Akzeptor-Systemen haben. Diese Ansätze können somit dazu verwendet werden die magnetischen Eigenschaften von neuen Materialien zu verändern.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:uni-wuerzburg.de/oai:opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de:36303 |
| Date | January 2024 |
| Creators | Roger, Chantal |
| Source Sets | University of Würzburg |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | doctoralthesis, doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf |
| Rights | https://opus.bibliothek.uni-wuerzburg.de/doku/lic_mit_pod.php, info:eu-repo/semantics/openAccess |
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