Authors:	Lunkenheimer, Bernd
Title:	Simulationen zur Exzitonendiffusion in organischen Halbleitern
Online publication date:	4-Apr-2014
Year of first publication:	2014
Language:	german
Abstract:	Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Exzitonentransports in organischen Halbleitern, wie sie in Leuchtdioden oder Solarzellen eingesetzt werden, zu vertiefen. Mithilfe von Computersimulationen wurde der Transport von Exzitonen in amorphen und kristallinen organischen Materialien beschrieben, angefangen auf mikroskopischer Ebene, auf der quantenmechanische Prozesse ablaufen, bis hin zur makroskopischen Ebene, auf welcher physikalisch bestimmbare Größen wie der Diffusionskoeffizient extrahierbar werden. Die Modellbildung basiert auf dem inkohärenten elektronischen Energietransfer. In diesem Rahmen wird der Transport des Exzitons als Hüpfprozess aufgefasst, welcher mit kinetischen Monte-Carlo Methoden simuliert wurde. Die notwendigen quantenmechanischen Übergangsraten zwischen den Molekülen wurden anhand der molekularen Struktur fester Phasen berechnet. Die Übergangsraten lassen sich in ein elektronisches Kopplungselement und die Franck-Condon-gewichtete Zustandsdichte aufteilen. Der Fokus dieser Arbeit lag einerseits darauf die Methoden zu evaluieren, die zur Berechnung der Übergangsraten in Frage kommen und andererseits den Hüpftransport zu simulieren und eine atomistische Interpretation der makroskopischen Transporteigenschaften der Exzitonen zu liefern. rnrnVon den drei untersuchten organischen Systemen, diente Aluminium-tris-(8-hydroxychinolin) der umfassenden Prüfung des Verfahrens. Es wurde gezeigt, dass stark vereinfachte Modelle wie die Marcus-Theorie die Übergangsraten und damit das Transportverhalten der Exzitonen oftmals qualitativ korrekt wiedergeben. Die meist deutlich größeren Diffusionskonstanten von Singulett- im Vergleich zu Triplett-Exzitonen haben ihren Ursprung in der längeren Reichweite der Kopplungselemente der Singulett-Exzitonen, wodurch ein stärker verzweigtes Netzwerk gebildet wird. Der Verlauf des zeitabhängigen Diffusionskoeffizienten zeigt subdiffusives Verhalten für kurze Beobachtungszeiten. Für Singulett-Exzitonen wechselt dieses Verhalten meist innerhalb der Lebensdauer des Exzitons in ein normales Diffusionsregime, während Triplett-Exzitonen das normale Regime deutlich langsamer erreichen. Das stärker anomale Verhalten der Triplett-Exzitonen wird auf eine ungleichmäßige Verteilung der Übergangsraten zurückgeführt. Beim Vergleich mit experimentell bestimmten Diffusionskonstanten muss das anomale Verhalten der Exzitonen berücksichtigt werden. Insgesamt stimmten simulierte und experimentelle Diffusionskonstanten für das Testsystem gut überein. Das Modellierungsverfahren sollte sich somit zur Charakterisierung des Exzitonentransports in neuen organischen Halbleitermaterialien eignen. This thesis serves to deepen the understanding of exciton transport in organic semi-conductors as used in light emitting diodes or solar cells. The transport of excitons in amorphous and crystalline organic materials was performed with computer simulations. Starting on a microscopic level where quantum-mechanical processes are concerned, leading to a macroscopic level where physical relevant observables, e.g. the diffusion coefficient, were extracted. The model is based on incoherent electronic energy transfer. Within this framework the transport is described as a hopping process that can be simulated via kinetic Monte-Carlo. The urgent transition rates between molecules where calculated quantum-mechanically using molecular structures of condensed phases. The transition rates are divided in an electronic coupling element and the Franck-Condon weighted density of states. The focus was set first to evaluate the methods suitable to calculate the transition rates efficiently and second to simulate the hopping transport to reveal an atomistic interpretation of the macroscopic properties of exciton transport. rnrnThree systems where investigated, while Aluminum-tris-(8-hydroxyquinoline) served for intensive testing of the model. It could be shown that simple models as Marcus theory describe the transport properties of excitons qualitatively correct. The higher diffusion constants of singlet versus triplet excitons are due to the longer range of the singlet coupling elements, leading to stronger clustered networks. The time-dependend diffusion coefficient shows subdiffusive properties for short times. For singlet excitons this behaviour switches to normal diffusion within excitons life-time, while triplet excitons need much longer times to reach an ordinary diffusion regime. This stronger anomalous behaviour of triplet excitons could be explained by a disordered distribution of the transition rates. When comparing simulated diffusion constants with experimental data this anomalous behaviour has to be regarded. In summary the simulated diffusion constants agree well with experimental data for the test system. The model should be adequate to characterize exciton transport in new organic semi-conductor materials.
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-4223
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-37106
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	153 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen