Authors:	Rühle, Victor
Title:	Morphology and charge transport in conjugated polymers
Online publication date:	9-Sep-2010
Year of first publication:	2010
Language:	english
Abstract:	To assist rational compound design of organic semiconductors, two problems need to be addressed. First, the material morphology has to be known at an atomistic level. Second, with the morphology at hand, an appropriate charge transport model needs to be developed in order to link charge carrier mobility to structure.rnrnThe former can be addressed by generating atomistic morphologies using molecular dynamics simulations. However, the accessible range of time- and length-scales is limited. To overcome these limitations, systematic coarse-graining methods can be used. In the first part of the thesis, the Versatile Object-oriented Toolkit for Coarse-graining Applications is introduced, which provides a platform for the implementation of coarse-graining methods. Tools to perform Boltzmann inversion, iterative Boltzmann inversion, inverse Monte Carlo, and force-matching are available and have been tested on a set of model systems (water, methanol, propane and a single hexane chain). Advantages and problems of each specific method are discussed.rnrnIn partially disordered systems, the second issue is closely connected to constructing appropriate diabatic states between which charge transfer occurs. In the second part of the thesis, the description initially used for small conjugated molecules is extended to conjugated polymers. Here, charge transport is modeled by introducing conjugated segments on which charge carriers are localized. Inter-chain transport is then treated within a high temperature non-adiabatic Marcus theory while an adiabatic rate expression is used for intra-chain transport. The charge dynamics is simulated using the kinetic Monte Carlo method.rnrnThe entire framework is finally employed to establish a relation between the morphology and the charge mobility of the neutral and doped states of polypyrrole, a conjugated polymer. It is shown that for short oligomers, charge carrier mobility is insensitive to the orientational molecular ordering and is determined by the threshold transfer integral which connects percolating clusters of molecules that form interconnected networks. The value of this transfer integral can be related to the radial distribution function. Hence, charge mobility is mainly determined by the local molecular packing and is independent of the global morphology, at least in such a non-crystalline state of a polymer. Bei der systematischen, Computer gestützten Entwicklung neuer organischer Halbleiter müssen zwei Kernpunkte behandelt werden: Zunächst muss deren Morphologie auf atomarer Ebene bestimmt werden.rnAnschließend wird ein Modell benötigt, welches Ladungsträgermobilitäten für diese Strukturen berechnen kann.rnrnErsteres kann durch Molekulardynamik Simulationen erfolgen, jedoch sind die erreichbaren Längen- und Zeitskalen stark eingeschränkt. Hier bieten systematische Vergröberungsmethoden einen Ausweg, welche im ersten Teil dieser Arbeit vorgestellt werden. Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Software-Paket (Versatile Object-oriented Toolkit for Coarse-graining Applications'') entwickelt, welches eine flexible Plattform für die einheitliche Implementierung von Vergröberungsmethoden bietet. Bisher wurden Anwendungen für die Methoden Boltzmann Inversion, iterative Boltzmann Inversion, Monte Carlo Inversion und Force-matching integriert und an vier Referenzsystemen (Wasser, Methanol, Propan und ein einzelnes Hexanmolekül) getestet. Die Vor- und Nachteile der verschiedenen Ansätze werden diskutiert.rnrnDie Modellierung der Ladungsträgerdynamik ist in ungeordneten Systemen eng mit der Konstruktion geeigneter diabatischer Zustände verbunden, zwischen welchen Ladungstransport erfolgen kann. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird ein Modell entwickelt, welches Ladungstransport in konjugierten Poylmeren beschreibt. Hierbei wird der Transport durch Springen zwischen konjugierten Segmenten (Bereiche im Polymer, auf welchen Ladungsträger lokalisieren können) beschrieben. Die Transportraten der Sprünge zwischen Mole\-külen wird mit der nicht-adiabatischen Marcus-Gleichung berechnet, wohingegen eine adiabatische Ratengleichung für Transport innerhalb der Polymerkette verwendet wird. Die Dynamik der Ladungsträger wird anschließend mit dem kinetischen Monte Carlo Algorithmus simuliert.rnrnIm letzten Teil dieser Arbeit wird mit Hilfe des entwickelten Modells eine Relation zwischen Morphologie und Ladungsmobilität in neutralen und dotierten Zuständen des konjugierten Polymers Polypyrrol etabliert. Es wird gezeigt, dass bei kurzen Ketten die Mobilität der Ladungsträger kaum von der molekularen Ordnung abhängt. Zudem kann die Mobilität anhand des Schwellenwerts des Transferintegrals abgeschätzt werden, welches Moleküle zu einem einzelnen Cluster verbindet. Die Tatsache, dass das Transferintegral eng mit der radialen Verteilungsfunktion verknüpft ist, deutet darauf hin, dass die Ladungsmobilität, zumindest in solch einem nicht-kristallinen Zustand eines Polymers, überwiegend durch die lokale molekulare Packung gegeben ist und damit unabhängig von der globalen Ordnung ist.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-966
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-24014
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	120 S.
Appears in collections:	JGU-Publikationen