Optical Spectroscopy on Organic-Inorganic Hybrid Structures

Organic Functionalization of Inorganic Substrates: Exciton Formation in Organic Layers on Inorganic Substrates The organic molecules pentacene and phthalocyanine both are widely used for functionalization of semiconductors. Different phases form up when growing thin layers at the interface which...

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Main Author: Meyenburg, Ingo
Contributors: Heimbrodt, Wolfram (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:English
Published: Philipps-Universität Marburg 2020
Subjects:
Online Access:PDF Full Text
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Table of Contents: Organische Funktionalisierung von anorganischen Substraten: Exzitonbildung in Organisch-anorganischen Hybridsystemen Die organischen Moleküle Pentacen und Phthalocyanin sind weit verbreitet im Gebiet der Funktionalisierung von Halbleitern. Beim Aufwachsen von dünnen Schichten an der Grenzfläche entstehen unterschiedliche Phasen, welche bei der Untersuchung der organisch-anorganischen Hybride berücksichtigt werden müssen. Es bleiben offene Fragen zur Exzitonenbildung und den optischen Eigenschaften. Eine gründliche Untersuchung des Einflusses des Substrats auf die organischen Eigenschaften ist notwendig. Verschiedene kristalline Phasen von Pentacen sowie von Phthalocyaninen mit einem axialen Anker, welcher ein Metallatom beinhaltet (Cu-Pc, TiO-Pc), wurden hergestellt und mittels Röntgendiffraktion und Rasterkraftmikroskopie untersucht (Arbeitsgruppe Witte, Universität Marburg). Absorptions- und Photolumineszenz-Spektroskopie wurden als Funktion der Temperatur zwischen Raumtemperatur und 10 K durchgeführt. Die Besonderheiten bei wachsenden Pentacen Schichten auf anorganischen Substraten werden diskutiert. Zugang zur Grenzfläche - Pentacen Polarisationsaufgelöste Absorptionsspektren wurden für verschiedene Pentacen-Polymorphe für dünne Schichten auf ZnO sowie für freistehende Einzelkristalle aufgenommen. Es wurde ein klarer Zusammenhang zwischen der Davydov-Aufspaltung des Singulett-Exziton-Zustands niedrigster Energie und des Herringbone Winkels der Moleküle in der Elementarzelle aufgezeigt. Der Herringbone-Winkel kann also über optische Spektroskopie ermittelt werden. Die Variation der Oszillatorstärke der einzelnen exzitonischen Davydov-Komponenten mit der Temperatur erklärt sich durch eine Variation des Herringbone-Winkels. Für die Campbell-Phase von Pentacen aufgewachsen auf ZnO-Substraten tritt eine außerordentlich starke Variation des Herringbone-Winkels auf. Dies wird den unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der organischen und anorganischen Bestandteile zugeschrieben, welche an der Grenzfläche zu Verspannung führen. Ladungstransfer in organisch-anorganischen Hybridsystemen Hybridsysteme bestehend aus organischen Indolin-Derivaten und aus verschiedenen anorganischen Substraten (TiO2, ZnO, SiO2(0001), Quarzglas) wurden hergestellt. Dazu wurden Schichten aus Indolin-Farbstoff auf den anorganischen Substraten adsorbiert. Wir ermitteln die Elektronentransferzeiten von Exzitonen in Farbstoffschichten bis zur organisch-anorganischen Grenzfläche durch Analysieren der Photolumineszenz-Transienten der Farbstoffschichten nach Femtosekunden-Anregung und Anwendung kinetischer Modellrechnungen. Eine Korrelation zwischen den Übertragungszeiten und vier Parametern wurde gefunden: (i) die Anzahl der Ankergruppen, (ii) der Abstand zwischen dem Farbstoff und der organisch-anorganischen Grenzfläche, welcher durch die Alkylkettenlängen zwischen Carboxylat-Anker und Indolin-Zentrum des Farbstoffs variiert wurde, (iii) die Dicke der adsorbierten Farbstoffschicht, und (iv) die Höhe des Zustands-Niveaus des angeregten Farbstoff (pi*-Ebene) im Vergleich zum Leitungsbandminimum des anorganischen Halbleiters. Optimierung von Solarzellen Ein effizienter Ladungstransfer von absorbierendem Farbstoff über die organisch-anorganische Grenzfläche in den Halbleiter ist entscheidend für hohe externe Quantenwirkungsgrade in farbstoffsensibilisierten Solarzellen (DSSC). Wir unterscheiden zwischen Exzitonen, die die Grenzfläche erreichen, und Exzitonen, die aufgrund von Quenching in den Farbstoffschichten rekombinieren. Durch den Nachweis von Quenching mittels optischer Spektroskopie lassen sich unerwünschte Agglomerationen in DSSC detektieren und somit auch Solarzellen optimieren. Die Vor- und Nachteile von panchromatischen Zellen werden diskutiert. Wir verwenden spannungsabhängige zeitaufgelöste Photolumineszenz um die Ladungstransfer-Zeit von relaxierten angeregten Farbstoffzuständen in das Leitungsband-Minimum des Halbleiters zu bestimmen. Hierdurch erhalten wir Erkenntnisse über die Levelausrichtung zwischen Farbstoff und Halbleiter.