German Title: Laserspektroskopie an Funktionsmaterialien

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Abstract

In a world of increasing energy consumption and man-made global warming, the knowledge of electronic and structural properties of organic materials is crucial for their implementation and use in innovative (smart) devices since those determine device performance. Herein, the electronic and structural properties of new promising materials are studied in detail utilising advanced laser spectroscopic techniques. Considering optoelectronic devices such as organic field effect transistors and solar cells, the metal/organic interface plays an important role for device performance. Therefore, the electronic properties of an n-type semiconducting N-substituted pentacene derivative and its change at higher layer thicknesses in contact with a metal electrode is studied via two-photon photoemission spectroscopy as well as the adsorption and desorption properties via temperature-programmed desorption. Several molecular electronic states such as the highest occupied and the lowest unoccupied molecular orbital as well as the optical gap are thereby determined quantitatively. Developing optoelectronic devices further, smart devices covering more complex needs can be achieved by implementing multiresponsive mixtures reacting in differentiated ways to light, which acts as sustainable external stimulus with high spatio-temporal resolution. Hence, the switching behaviour of a mixture of two individually as well as simultaneously addressable photoswitches is researched in detail. Furthermore, the investigated mixture is 3D printable allowing fast and easy implementation in 3D structures. The photoswitches are a push-pull azobenzene derivative and a first generation donor-acceptor Stenhouse adduct absorbing longer wavelengths in the visible region of the spectrum compared to the azobenzene derivative. All steps of the trans-to-cis isomerisation of the former and the linear-to-closed isomerisation of the latter photoresponsive molecule are studied as well as the respective back reactions with special emphasis on the environmental influence and the impact of the photoswitches on each other. Therefore, several techniques, such as femtosecond transient absorption, temperature dependent kinetic visible absorption and kinetic infrared absorption spectroscopy, are used to gain a full picture. Dynamic effects of the environment and the photoswitches on each other are thereby found such that individual switching of both molecules takes place with minor impacts on each other in the mixture. Other 3D printable materials are diblock copolymers exhibiting microphase separation such as a derivative of a standard diblock copolymer for high-resolution nanolithography with additional functional groups allowing 3D printing. The lamellar structure and its regularity is studied by means of a scattering-scanning near-field optical microscope before and after 3D printing upon which a polymeric network is formed. Before printing, lamellae are thereby found whereas the printing process needs to be optimised to maintain this structure after 3D printing.

Translation of abstract (German)

In einer Welt des zunehmenden Energieverbrauchs und der menschengemachten Erderwärmung ist die Kenntnis der elektronischen und strukturellen Eigenschaften von organischen Materialien entscheidend für deren Implementierung und Anwendung in innovativen (intelligenten) Geräten, da diese die Leistungsfähigkeit der Geräte bestimmt. Entsprechend werden die elektronischen und strukturellen Eigenschaften neuer vielversprechender Materialien unter Verwendung fortgeschrittener Laserspektroskopie im Detail untersucht. Die Grenzfläche Metall/Organik spielt eine wichtige Rolle bei optoelektronischen Geräten wie organische Feldeffekttransistoren und Solarzellen. Daher werden die elektronischen Eigenschaften eines n-halbleitenden N-substituierten Pentacenderivats im Kontakt mit einer Metallelektrode bei unterschiedlichen Schichtdicken mittels zwei-Photonen Photoemissionsspektroskopie untersucht sowie die Adsorptions- und Desorptionseigenschaften mittels temperaturprogrammierter Desorption. Dabei werden mehrere molekulare elektronische Zustände wie das höchste besetzte und das niedrigste unbesetzte Molekülorbital sowie die optische Lücke quantitativ bestimmt. Durch die Weiterentwicklung optoelektronischer Geräte können intelligente Geräte zur Erfüllung komplizierterer Bedürfnisse durch die Implementierung von Mischungen mit mehreren Reaktionsmöglichkeiten nach Lichteinwirkung erziehlt werden, wobei Licht als nachhaltige externe Anregung mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung dient. Daher wird das Schaltverhalten einer Mischung zweier sowohl individuell als auch gleichzeitig ansprechbarer Photoschalter im Detail erforscht. Zudem ist die untersuchte Mischung 3D druckbar, was einen schnellen und einfachen Einbau in 3D Strukturen erlaubt. Die Photoschalter sind ein Azobenzolderivat mit elektronenspendender und -ziehender Gruppe sowie ein Donor-Akzeptor Stenhouse Addukt der ersten Generation, welches im sichtbaren Spektralbereich längere Wellenlängen als das Azobenzolderivat absorbiert. Alle Schritte der trans-zu-cis Isomerisierung des erstgenannten und der linear-zu-geschlossen Isomerisierung des zweitgenannten Photoschalters, genauso wie die entsprechenden Rückreaktionen, werden mit besonderem Augenmerk auf den Einfluss der Umgebung und den gegenseitigen Einfluss der Photoschalter aufeinander untersucht. Dafür werden verschiedene Methoden verwendet, wie beispielsweise transiente Absorption im Femtosekundenbereich, temperaturabhängige kinetische Absorption im sichtbaren und kinetische Absorption im infraroten Bereich, um ein vollständiges Bild zu erhalten. Dabei werden dynamische Effekte der Umgebung und der Photoschalter aufeinander offenbar, wobei die Schaltermoleküle individuell schalten mit nur geringen gegenseiten Einflüssen in der Mischung. Andere 3D druckbare Materialien sind Zwei-Block-Copolymere, die Mikrophasentrennung zeigen, wie beispielsweise ein Derivat eines Standard-Zwei-Block-Copolymers für hochauflösende Nanolithographie mit zusätzlichen funktionellen Gruppen, die den 3D Druck ermöglichen. Die lamellare Struktur und ihre Regelmäßigkeit wird mit einem streuend abrasternden optischen Nahfeldmikroskop vor und nach dem 3D Druck erforscht, wobei durch den 3D Druck ein Polymernetzwerk erhalten wird. Vor dem Druck treten Lamellen auf, wohingegen der Druckprozess optimiert werden muss, um diese auch nach dem Druck beizubehalten.