Untersuchung der intermolekularen Dynamik angeregter Zustände in molekularen Halbleitern
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Molekulare Halbleiter sind Materialien, die aus van-der-Waals gebundenen Einheiten einzelner Moleküle aufgebaut sind. Aufgrund der schwachen intermolekularen Wechselwirkung sind die optischen und elektronischen Eigenschaften dieser Materialien in einem statischen Bild hauptsächlich durch die Eigenschaften der molekularen Einheiten und deren Orientierung zueinander bestimmt. Die weichen van-der-Waals Bindungen ermöglichen große Amplituden von Gitterschwingungen, die die relative Lage der Moleküle auf Zeitskalen von elektronischen Anregungen dynamisch verändern können und sogar quasi-statische Gitterverzerrungen sind möglich. Während der elektronische Teil dieser Prozesse durch spektroskopische Techniken sehr gut abbildbar ist, ist der nukleare Teil, d.h. die Dynamik der molekularen Einheiten, oft nur indirekt durch quantenchemische Simulationen zugänglich, die aufgrund der Größe der Einheitszelle oft nur mit großem Rechenaufwand durchführbar sind. Das vorliegende Projekt soll die Gitterdynamik und Gitterverzerrungen die optisch angeregte Zustände begleiten mittels ultraschneller Elektronenbeugung direkt beobachten. Die Datenanalyse erfolgt mittels eines im Rahmen des Projekts eigens entwickelten Softwarepakets. Eines der Untersuchten Materialsysteme ist der molekulare Halbleiter Zinkphthalocyanin (ZnPc) in seinem kristallographischen ɑ-Polymorph. Dieses Material wird zum Beispiel als Donor in organischen Solarzellen untersucht und ist ein prototypisches Exzimer Material. Bei der Exzimerbildung wird ein molekulares Exziton durch eine Gitterverzerrung energetisch stabilisiert und in einen langlebigen Zustand überführt. Die durchgeführten Beugungsexperimente zeigen, dass die Exzimerbildung in ZnPc in zwei Schritten stattfindet. Nach einer schnellen (~400 fs) Verringerung des intermolekularen Abstands zweier benachbarter Moleküle führen diese eine Scherbewegung aus um ihre π-Systeme auszurichten (~15 ps), was der finalen Exzimergeometrie entspricht die über 300 ps stabil ist. Durch die neuen experimentellen Einblicke, ließ sich der Parameterraum für quantenchemische Rechnungen passgenau einschränken, sodass weitere Einblicke in die genaue Geometrie in angemessenem Zeit- und Rechenaufwand gewonnen werden konnten. Zum ersten Mal konnte so die strukturelle Dynamik der Exzimerbildung direkt beobachtet werden. Da Mess- und Analysemethoden sich direkt auf weitere Systeme übertragen lassen können nun direkt technolgierelevante Systeme untersucht und beispielsweise Verlustkanäle identifiziert und modifiziert werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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CELLTOOLS: Ein Pythonpaket zur Manipulation von Einheitszellen und Superzellen und der Simulation von Elektronenbeugungsbildern in der kinematischen Näherung
Sebastian Hammer
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Accurate Polarization-Resolved Absorption Spectra of Organic Semiconductor Thin Films Using First-Principles Quantum-Chemical Methods: Pentacene as a Case Study. The Journal of Physical Chemistry Letters, 13(16), 3726-3731.
Craciunescu, Luca; Wirsing, Sara; Hammer, Sebastian; Broch, Katharina; Dreuw, Andreas; Fantuzzi, Felipe; Sivanesan, Vipilan; Tegeder, Petra & Engels, Bernd
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Cluster-Based Approach Utilizing Optimally Tuned TD-DFT to Calculate Absorption Spectra of Organic Semiconductor Thin Films. Journal of Chemical Theory and Computation, 19(24), 9369-9387.
Craciunescu, Luca; Asbach, Maximilian; Wirsing, Sara; Hammer, Sebastian; Unger, Frederik; Broch, Katharina; Schreiber, Frank; Witte, Gregor; Dreuw, Andreas; Tegeder, Petra; Fantuzzi, Felipe & Engels, Bernd
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Influence of Excited-State Delocalization on Singlet Fission: Tuning Triplet-Pair-State Emission in Thin Films. The Journal of Physical Chemistry C, 127(7), 3778-3786.
Hausch, Julian; Hofeditz, Nico; Bredehöft, Jona; Hammer, Sebastian; Pflaum, Jens; Broch, Katharina; Gerhard, Marina & Schreiber, Frank
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Orbital-resolved observation of singlet fission. Nature, 616(7956), 275-279.
Neef, Alexander; Beaulieu, Samuel; Hammer, Sebastian; Dong, Shuo; Maklar, Julian; Pincelli, Tommaso; Xian, R. Patrick; Wolf, Martin; Rettig, Laurenz; Pflaum, Jens & Ernstorfer, Ralph
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Spectroscopic analysis of vibrational coupling in multi-molecular excited states. Materials Horizons, 10(1), 221-234.
Hammer, Sebastian; Linderl, Theresa; Tvingstedt, Kristofer; Brütting, Wolfgang & Pflaum, Jens
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Surface doping of rubrene single crystals by molecular electron donors and acceptors. Physical Chemistry Chemical Physics, 25(43), 29718-29726.
Gatsios, Christos; Opitz, Andreas; Lungwitz, Dominique; Mansour, Ahmed E.; Schultz, Thorsten; Shin, Dongguen; Hammer, Sebastian; Pflaum, Jens; Zhang, Yadong; Barlow, Stephen; Marder, Seth R. & Koch, Norbert
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„A Tool Kit for Analyzing Emission Spectra of Multi-Molecular States“, Vortrag, Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (SKM) 2023
Hammer, Sebastian; Linderl, Theresa; Tvingstedt, Kristofer; Brütting, Wolfgang & Pflaum, Jens
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„Unraveling Structural Dynamics in Excimer Formation Using Ultrafast Electron Diffraction“, Poster, CPP 17.8
Sebastian Hammer, Laurenz Kremeyer, Tristan Britt, Maximilian Rödel, Syed Ali Hassan, Jens Pflaum & Bradley Siwick
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Excimer formation in zinc-phthalocyanine revealed using ultrafast electron diffraction. Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(51).
Hammer, Sebastian; Britt, Tristan L.; Kremeyer, Laurenz; Rödel, Maximilian; Cai, David; Pflaum, Jens & Siwick, Bradley J.
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Gordon Research Conference and Seminar on Ultrafast Phenomena in Cooperative Systems 2024. Structural Dynamics in Zinc-Phthalocyanine Excimer formation unraveled by Ultrafast Electron Diffraction. Poster
S. Hammer
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„Structural Dynamics during Excimer Formation in Fluorinated Zinc- Phthalocyanine Thin Films“, O88.9, Vortrag. Frühjahrstagung der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (SKM) 2024
Sebastian Hammer, Laurenz Kremeyer, Tristan Britt, Maximilian Rödel, Jens Pflaum & Bradley Siwick
