Untersuchung der intermolekularen Dynamik angeregter Zustände in molekularen Halbleitern

• Antragsteller: Dr. Sebastian Hammer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2021 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 490894053

Trotz intensiver grundlagen- sowie anwendungsorientierter Forschung sind einige wesentliche photophysikalische Phänomene in molekularer Materialien und ihren Kompositen noch nicht gänzlich verstanden. Ein dabei oft vernachlässigter Effekt in molekularen Aggregaten ist die Wechselwirkung optisch angeregter Zustände mit dem umgebenden Kristallgitter und dessen phononischen Anregungen. Ziel dieses Projekts ist daher, die Dynamik des Kristallgitters nach optischer Anregung, also dessen adiabatische Gitterrelaxation sowie die kohärente und nicht-kohärente Phononenerzeugung, direkt mittels ultraschneller Elektronenbeugung (UED) und ultraschneller diffuser Elektronenstreuung (UEDS) zu beobachten, um Einblicke in die Mechanismen der Exzitonen-Gitter Kopplung zu erhalten. Durch die direkte Messung der Kerndynamik mittels UED sowie der zeitaufgelösten Phononenbesetzung über die gesamte Brillouin-Zone mittels UEDS können bestehende Modelle, die auf indirekten spektroskopischen Daten gestützt von Dichtefunktionalrechnungen und Molekulardynamik-Simulationen basieren, erweitert werden. Zu diesem Zweck werden zwei grundlegende bi- bzw. multimolekulare exzitonische Anregungen, der Exzimer- und der Ladungstransferzustand (CT)-Zustand, die jeweils stark an die vorliegende Gitterdynamik koppeln, an unterschiedlichen Referenzsystemen untersucht. Die Durchführung der Pump-Probe-Experimente zur zeitabhängigen Bestimmung der strukturellen Antwort nach optischer Anregung erfolgt an aus der Gasphase gezüchteten, hochqualitativen molekularen Einkristallen.Die Dynamik des umgebenden Kristallgitters bei der Bildung eines Exzimerzustandes wird am Modelsystem Pyren untersucht. UED und UEDS Messungen an Pyren Einkristallen geben Einblicke in die Gitterrelaxation und die Phononenerzeugung während der Exzimerbildung und ermöglichen die Identifizierung nichtstrahlender, phononen-assistierter Zerfallsprozesse. Beide Prozesse werden als Funktion der Masse der molekularen Konstituenten des jeweiligen Dimers untersucht. Als Vergleichssystem wird zu diesem Zwecke perdeuteriertes Pyren aufgrund seiner größeren Masse aber ähnlichen elektronischen und strukturellen Eigenschaften genutzt. In der zweiten Hälfte des Projekts werden diese Prozesse in einem Hetero-CT-Komplex Tetracen: F4TCNQ (2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanochinodimethan) untersucht. Hierbei bieten die vorgeschlagenen UED und UEDS Experimente die einzigartige Möglichkeit (i) das zeitabhängige elektrostatische Potential und somit die Ladungsverteilung im angeregten Zustand aus den Bragg-Reflexen mit niedrigen Indizes zu rekonstruieren, (ii) die Änderungen in der intermolekularen Geometrie nach Photoanregung zu untersuchen und (iii) Phononenmoden, die als nichtstrahlende Zerfallskanäle dienen, zu identifizieren.Diese Ergebnisse schließen eine Lücke in den Modellen photophysikalischer Prozesse in molekularen Systemen und sind über die betrachteten Modelsysteme hinaus für zukünftige optoelektronische Anwendungen relevant.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: Kanada
• Gastgeber: Professor Dr. Bradley Siwick