Authors:	Rörich, Irina
Title:	Influence of Energetic Disorder on Exciton Diffusion Properties
Online publication date:	10-Jan-2019
Year of first publication:	2019
Language:	english
Abstract:	This work puts forth a study of the exciton diffusion properties in conjugated polymers with respect to the following questions: How does the energetic disorder in conjugated polymers influences exciton diffusion characteristics such as the exciton lifetime, exciton diffusion coefficient, exciton diffusion length, and photoluminescence quantum yield in a solid thin film? How does the exciton diffusion depend on temperature with respect to various degree of energetic disorder? Is it possible to minimize exciton quenching at non-radiative quenching-sites by optimization of the polymer synthesis or film processing conditions? The goal of this work is to understand on one hand the interplay between the energetic disorder of the conjugated polymer and the device performance, and on the other hand the factors, which limit the exciton diffusion characteristics in a conjugated polymer film. Chapter 3 demonstrates that the exciton lifetime and photoluminescence quantum yield (PLQY) directly correlates with the energetic disorder of the conjugated polymer, where increased energetic disorder slows down the diffusion of the exciton toward non-radiative quenching sites and strongly enhances both exciton lifetime and PLQY. This is consistent with diffusion-limited exciton quenching at non-radiative recombination centers in organic semiconductors. In Chapter 4, time-resolved photoluminescence (TRPL) spectroscopy at varying temperature show a correlation between the energetic disorder and the balance between radiative and non-radiative decay processes, the latter of which includes also non-radiative decay processes due to exciton diffusion toward excitonic traps. We found distinct temperature dependencies of the exciton diffusion properties based on the polymer disorder, which also determines the polymer light-emitting diode (PLED) performance. TRPL spectroscopy is further used to investigate the PL decay in degraded PLED (Chapter 5), that was aged at a constant current density, leading to the formation of hole traps. The TRPL demonstrates a decrease in exciton lifetime in the degraded PLED device with respect to the unaged one. The amount of non-radiative exciton quenching-sites in the aged device is quantified by Monte Carlo simulations, which is found to match with the number of hole traps predicted from electrical charge transport measurements. Our results reveal the origin for the apparent different behavior of the electroluminescence and photoluminescence upon PLED degradation. The decrease of the electroluminescence is governed by recombination of free electrons with trapped holes, whereas the photoluminescence is reduced by non-radiative quenching processes between excitons and hole traps. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht inwiefern die energetische Unordnung des konjugierten Polymers die Exciton-Diffusion-Charakteristika beeinflusst sowie mögliche Faktoren, die die Bauteilperformanz limitieren. In Kapitel 3 wurde der Zusammenhang zwischen der energetischen Unordnung des Polymers und der Exciton-Lebensdauer sowie Photolumineszenz-Quantenausbeute einer Reihe konjugierter Polymere untersucht. Dabei wurde beobachtet, dass die Exciton-Lebensdauer mit steigender Polymerunordnung um eine Größenordnung zunimmt. Gleichzeitig nimmt der Exciton-Diffusionskoeffizient um eine Größenordnung ab. Die Untersuchungen ergaben außerdem, dass die Photolumineszenz-Abfallszeit (bzw. Exciton-Lebenszeit) in dünnen Polymerfilmen nicht durch die intrinsische Lebensdauer der Excitonen limitiert ist. Stattdessen spielt die Zeit, die die Excitonen benötigen, um zu einem Auslöschungszentrum (non-radiative quenching center) zu diffundieren eine entscheidende Rolle, welche wiederum mit der 'diffusion-limited exciton quenching'-Theorie im Einklang steht. Dem folgt, wenn das Erreichen der Excitonen-Auslöschungszentren z. B. durch die Verringerung der Exciton-Diffusion zu diesen 'traps' verhindert werden kann, dann sollte nicht nur die Excitonen-Lebensdauer ansteigen, sondern auch die Quantenausbeute. Polymere mit einer höher energetischen Unordnung weisen eine langsame Exciton-Diffusion auf und somit nicht nur eine lange Exciton-Lebensdauer, sondern auch eine höhere Photolumineszenz-Quantenausbeute als Polymere mit einer geringeren Unordnung. Dieser Sachverhalt wurde fortführend in Kapitel 4 untersucht, wobei der Effekt der energetischen Unordnung auf die Photo- und Elektrolumineszenz-Eigenschaften in zwei energetisch unterschiedlichen Poly(p-phenylene-vinylene) Derivativen untersucht wurde. Ein Zusammen-hang zwischen der energetischen Unordnung und dem Gleichgewicht zwischen den strahlenden und strahlungslosen Übergängen wurde abgeleitet. Letztere setzen sich aus den intrinsischen und den strahlungslosen Prozessen aufgrund der Exciton-Diffusion zu den Auslöschzentren zusammen. Zusätzlich wurden unterschiedliche Temperaturabhängigkeiten der Exciton-Diffusions-Eigenschaften basierend auf der energetischen Polymerunordnung beobachtet, die zudem die Performanz der Polymer-Leuchtdiode (PLED) bestimmten. Die Stromausbeute der PLED des Polymers mit einer größeren energetischen Unordnung weist keine Temperaturabhängigkeit auf, was für die meisten Polymer-basierenden LED Bauteile beschrieben wird. Im Gegensatz dazu, weist die PLED des Polymers mit geringerer Unordnung eine Erhöhung der Stromausbeute bei niedrigeren Temperaturen auf. Die durch Temperaturerniedrigung bedingte Erhöhung der Stromausbeute (Effizienz) wird einer Verlangsamung der Exciton-Diffusion zugeschrieben, welche auf eine geringere Wahrscheinlichkeit der Excitonen-Auslöschung an den Defektstellen zurückzuführen ist. Nach dem die Exciton-Charakteristika in Abhängigkeit der energetischen Unordnung des konjugierten Polymers untersucht wurden, lag der Fokus in Kapitel 5 auf die Untersuchung des Einflusses von Lochfallen auf die Exciton-Eigenschaften sowie der Bauteil-Performanz. Es wurde kürzlich berichtet, dass durch die elektrische Degradation, d.h. durch das Anlegen einer konstanten Spannung, Lochfallen generiert werden. Diese Lochfallen sind potentielle Excitonen-Auslöschzentren, wodurch eine Verringerung der Exciton-Lebensdauer nach dem Anlegen einer konstanten Stromdichte an der PLED resultierte im Vergleich zu dem elektrisch nicht beanspruchten Bauteil. Die Zunahme der strahlungslosen Übergänge (Auslöschzentren) wird der Entstehung von Lochfallen zugeschrieben. Die Anzahl der Auslöschzentren wurde mittels Monte Carlo Simulation quantifiziert und ist in guter Übereinstimmung mit der Anzahl der Lochfallen, die mithilfe von elektrischen Ladungstransport-Messungen und numerischen Simulationen ermittelt wurden. Des Weiteren kann der Unterschiede im signifikanten Abfall der Elektrolumineszenz vergleichen mit dem beinahe unbeeinflussten Photolumineszenz-Abfall bei einer konstanten Stromdichte auf unterschiedliche physikalische Prozesse zurückgeführt werden. Während der Abfall in der Elektrolumineszenz durch die Rekombination von freien Elektronen und gefangenen ('getrapped') Löchern bestimmt wird, ist die Reduzierung der Photolumineszenz auf den strahlungslosen Auslöschungs-prozess zwischen Excitonen und Lochfallen zurück zu führen.
DDC:	500 Naturwissenschaften 500 Natural sciences and mathematics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	Externe Einrichtungen
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-2810
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000025143
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	xii, 113 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen