Exzitonentransfer und Dissoziationsdynamik in konjugierten Polymeren

In der vorliegenden Arbeit werden mittels der Einzelmolekul-Fluoreszenzspektroskopie und einer neuartigen Ultrakurzzeit-Photostromkorrelationstechnik der Energietransfer und die Ladungstragererzeugung in konjugierten Polymeren untersucht. Aufgrund ihrer grosen Flexibilitat sowohl in Bezug auf die elektronischen und optischen Eigenschaften als auch im Hinblick auf die Verarbeitungsmoglichkeiten erschliesen diese molekularen Halbleiter zahlreiche Anwendungsfelder aus der Optoelektronik. Hierzu gehoren insbesondere die organischen Leuchtdioden und Photodetektoren, aber auch Laser und Transistoren. Der Energietransfer zwischen einzelnen Untergruppen eines konjugierten Polymermolekuls, sogenannten Chromophoren, wird erstmals durch zeitaufgeloste Einzelmolekulspektroskopie direkt verfolgt. So wird der Transfer von Anregungsenergie zwischen zwei energetisch verschiedenen Chromophoren zeitlich aufgelost und mit theoretischen Modellen verglichen. Durch die Messung der homogenen Linienbreite der Einzelmolekul-Photolumineszenz bei Temperaturen zwischen T = 5K und T = 300K und deren Auswirkung auf die Mobilitat der Anregungen wird in dieser Arbeit der mikroskopische Mechanismus des Energietransfers direkt zuganglich. Es zeigt sich, das der Energietransfer uber die stark temperaturabhangige Linienbreite der Absorption und Emission der einzelnen Chromophore kontrolliert wird. Die Messung der Polarisations-Anisotropie des konjugierten Polymers gibt Aufschlus uber die relative Orientierung der Chromophore zueinander. Es zeigt sich, das eine geeignete Molekulgeometrie in Verbindung mit dem Energietransfer zu einer hochgradig polarisierten Emission von Photolumineszenz selbst bei unpolarisierter Anregung fuhrt. Mit einer neuartigen Kombination von optischer Ultrakurzzeitspektroskopie und Photostrommessungen wird die Photoerzeugung von Ladungstragern in Polymer-Dunnschichtdioden mit einer Zeitauflosung im sub-Pikosekunden Bereich verfolgt. Erstmals gelingt damit der direkte Nachweis, das alle freien Ladungstrager durch zeitverzogerte Dissoziation von optisch generierten Exzitonen auf der Zeitskala der Exzitonenlebensdauer von 100 ps erzeugt werden. Daruberhinaus wird die ultraschnelle Dissoziation ”heiser“ Exzitonen binnen 0.1 Pikosekunden beobachtet, die jedoch nicht freie Ladungstrager erzeugt, sondern schwach Coulomb-gebundene Paare von Ladungstragern, sogenannte Polaronenpaare. Die Polaronenpaare weisen eine verschwindende Lumineszenzausbeute auf, tragen aber auch nicht zum Photostrom bei und stellen daher einen Verlustkanal fur Polymer-Leuchtdioden und fur organische Solarzellen dar. Der quantitative Vergleich mehrerer ultrakurzzeitspektroskopischer Signale erlaubt erstmals eine quantitative Bestimmung der Erzeugung von Polaronenpaaren ohne die Annahme weiterer Materialparameter. An zwei Modellsystemen effizienter organischer Polymer-Photodioden, namlich Mischsystemen aus einem konjugierten Polymer mit dem Elektronenakzeptor C60, wird die Bedeutung der Polaronenpaare fur organische Photodetektoren nachgewiesen. Wiederum durch die Kombination der Ultrakurzzeitspektroskopie mit Photostrommessungen kann eindeutig zwischen freien Ladungstragern und Polaronenpaaren unterschieden und deren Population getrennt verfolgt werden. Die zentrale Rolle der Polaronenpaare fur die Photostrom-Quantenausbeute in verschiedenen organischen Nanokompositen wird herausgearbeitet. Es zeigt sich, das die makroskopisch beobachtete Diskrepanz zwischen der Zahl dissoziierter Anregungen und der Zahl detektierter freier Ladungstrager auf der Tendenz einiger Materialien beruht, die Erzeugung von Polaronenpaaren mit einer hohen Rekombinationswahrscheinlichkeit zu begunstigen.