Authors:	Laquai, Frederic
Title:	Electronic energy transfer processes and charge carrier transport in pi-conjugated polymers
Online publication date:	2-Jun-2006
Year of first publication:	2006
Language:	english
Abstract:	Conjugated polymers have attracted tremendous academical and industrial research interest over the past decades due to the appealing advantages that organic / polymeric materials offer for electronic applications and devices such as organic light emitting diodes (OLED), organic field effect transistors (OFET), organic solar cells (OSC), photodiodes and plastic lasers. The optimization of organic materials for applications in optoelectronic devices requires detailed knowledge of their photophysical properties, for instance energy levels of excited singlet and triplet states, excited state decay mechanisms and charge carrier mobilities. In the present work a variety of different conjugated (co)polymers, mainly polyspirobifluorene- and polyfluorene-type materials, was investigated using time-resolved photoluminescence spectroscopy in the picosecond to second time domain to study their elementary photophysical properties and to get a deeper insight into structure-property relationships. The experiments cover fluorescence spectroscopy using Streak Camera techniques as well as time-delayed gated detection techniques for the investigation of delayed fluorescence and phosphorescence. All measurements were performed on the solid state, i.e. thin polymer films and on diluted solutions. Starting from the elementary photophysical properties of conjugated polymers the experiments were extended to studies of singlet and triplet energy transfer processes in polymer blends, polymer-triplet emitter blends and copolymers. The phenomenon of photonenergy upconversion was investigated in blue light-emitting polymer matrices doped with metallated porphyrin derivatives supposing an bimolecular annihilation upconversion mechanism which could be experimentally verified on a series of copolymers. This mechanism allows for more efficient photonenergy upconversion than previously reported for polyfluorene derivatives. In addition to the above described spectroscopical experiments, amplified spontaneous emission (ASE) in thin film polymer waveguides was studied employing a fully-arylated poly(indenofluorene) as the gain medium. It was found that the material exhibits a very low threshold value for amplification of blue light combined with an excellent oxidative stability, which makes it interesting as active material for organic solid state lasers. Apart from spectroscopical experiments, transient photocurrent measurements on conjugated polymers were performed as well to elucidate the charge carrier mobility in the solid state, which is an important material parameter for device applications. A modified time-of-flight (TOF) technique using a charge carrier generation layer allowed to study hole transport in a series of spirobifluorene copolymers to unravel the structure-mobility relationship by comparison with the homopolymer. Not only the charge carrier mobility could be determined for the series of polymers but also field- and temperature-dependent measurements analyzed in the framework of the Gaussian disorder model showed that results coincide very well with the predictions of the model. Thus, the validity of the disorder concept for charge carrier transport in amorphous glassy materials could be verified for the investigated series of copolymers. Die photophysikalischen Eigenschaften konjugierter organischer Polymere sind seit einigen Jahrzehnten Gegenstand intensiven sowohl akademischen als auch industriellen Forschungsinteresses, da diese Materialien in naher Zukunft Anwendung z.B. in organischen Leuchtdioden (OLED), Feldeffekttransistoren (OFET), Solarzellen (OSC), Photodioden bis hin zu organischen Lasern finden sollen. Die verschiedenen Einsatzbereiche und ihre diversen Anforderungen an die optoelektronischen Eigenschaften der Materialien erfordern ein detailliertes Verständnis der photophysikalischen Charakteristika, z.B. der vorhandenen Energieniveaus der Singulett- und Triplettzustände, ihrer Zerfallsprozesse sowie der Mobilität von Ladungsträgern. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden verschiedene konjugierte (Co)polymere, beispielsweise Vertreter der Gruppe der Polyspirobifluorene und Polyfluorene, mittels zeitaufgelöster Photolumineszenz-Spektroskopie im Zeitbereich von Pikosekunden bis Sekunden untersucht. Ziel der Arbeit ist ein tieferes Verständnis der elementaren photophysikalischen Prozesse in konjugierten Materialien zu erlangen und Struktur-Eigenschafts- Beziehungen herzustellen. Zur Detektion der prompten Fluoreszenz kam dabei die Streak Camera Technik zum Einsatz, während verzögerte, zeitaufgelöste Spektroskopie genutzt wurde, um Phänomene wie verzögerte Fluoreszenz und Phosphoreszenz an dünnen Polymerfilmen und verdünnten Lösungen der Polymeren zu untersuchen. Neben den grundlegenden photophysikalischen Eigenschaften der konjugierten Polymere wurden Experimente zum Energietransfer in Polymerblends, Polymer-Triplettemitter-Blends und Copolymeren durchgeführt. Darauf aufbauend, wurde das Phänomen der Photonenergie-Upconversion in Metallporphyrin-dotierten Polymermatrizen untersucht und ein zuvor postulierter bimolekularer Upconversions-Mechanismus experimentell verifiziert. Dieser erlaubt eine deutliche Steigerung der Effizienz der Upconversion im Vergleich zu früheren Experimenten an Polyfluoren-Derivaten. Die spektroskopischen Experimente wurden im Laufe der Arbeit auf die Untersuchung verstärkter spontaner Emission ausgeweitet. Experimente an dünnen Polymerfilm-Wellenleitern aus einem vollständig arylierten Polyindenofluoren zeigten verstärkte spontane Emission im blauen Spektralbereich bereits bei geringen Anregungsintensitäten sowie eine exzellente Oxidationsbeständigkeit des Polymeren. Diese Eigenschaften machen die Klasse der Polyindenofluorene interessant für Anwendungen in organischen Festkörperlasern. Neben den spektroskopischen Untersuchungen befaßt sich ein großer Teil der Arbeit mit Ladungsträgertransport in dünnen Polymerfilmen. Insbesondere die Mobilität der Ladungsträger ist ein wichtiger Materialparameter in optoelektronischen Bauelementen. Mittels einer modifizierten Ladungsträger-Flugzeitmessung wurde die Lochmobilität in einer Serie von Polyspirobifluoren-Copolymeren gemessen und mit dem entsprechenden Homopolymer verglichen, um zu Struktur-Eigenschafts-Beziehungen zu gelangen. Die Auswertung der Resultate feld- und temperaturabhängiger Mobilitätsmessungen zeigte exzellente Übereinstimmung mit den Vorhersagen des Unordnungsmodells für Ladungstransport in amorphen, glasigen Festkörpern. Somit konnte Ladungstransport in einer Reihe von konjugierten Polymeren experimentell untersucht und auch theoretisch interpretiert werden.
DDC:	540 Chemie 540 Chemistry and allied sciences
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 09 Chemie, Pharmazie u. Geowissensch.
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3538
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-10047
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
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