Exzitonische Anregungen in räumlich begrenzten molekularen Strukturen

Projektleiter:

Jens Pflaum
Julius-Maximilians-Universität Würzburg
Physikalisches Institut
Am Hubland, 97074 Würzburg

Telefon: +49 931 -31 83118
E-Mail: jens.pflaum@physik.uni-wuerzburg.de

URL: http://www.physik.uni-wuerzburg.de/EP6/index.html

Die optischen Eigenschaften organischer Moleküle und deren Kopplung an externe Felder versprechen neuartige optoelektronische Anwendungen, wie beispielsweise nichtklassische Lichtquellen. Den Ausgangspunkt des Projektes bilden Untersuchungen der lichtinduzierten Dynamik exzitonischer Zustände in kristallinen molekularen Strukturen mit Abmessungen im Bereich der Anregungswellenlänge. Die räumlichen Anordnungen können durch Selbstorganisation kontrolliert hergestellt werden, wie für den Polyaromaten Rubren demonstriert wurde, entweder beim Wachstum organischer Einkristalloberflächen oder mit der Molekularstrahlepitaxie auf kristallinen Substraten. Aufgrund der hohen Photostabilität und Quantenausbeute sind dafür u.a. Perylenbisimide aus Teilprojekt 1 vorgesehen. Spezielle Ätztechniken erlauben zudem die Ausbildung epitaktischer, invertierter Strukturen auf den Kristalloberflächen mit der zusätzlichen Option, metallische oder oxydische Deckschichten aufzubringen und dadurch die Reflexion bzw. Transmission an den Grenzflächen zu variieren.

Die in Zusammenarbeit mit Teilprojekt 7 geplanten Experimente werden grundlegende Einblicke in die Eigenschaften angeregter Zustände und deren Dynamik in diesen eingeschränkten Geometrien (confinement) geben. Dabei bieten die über Größenordnungen variablen, räumlichen Abmessungen des optischen Anregungsvolumens einen Freiheitsgrad, der bisher nicht direkt zugänglich war. Im Zentrum der Untersuchungen stehen Fragen nach der Art der exzitonischen Zustände, d.h. ob diese lokalisiert oder delokalisiert vorliegen, und nach den Übergangsraten zwischen den beteiligten Zuständen. Temperaturabhängige Lumineszenz-Studien werden die mikroskopischen Prozesse aufklären und zeigen, ob die Wechselwirkung mit lokalen und nichtlokalen Phononen über dissipative Effekte die Übergangsraten verändert. Ein ergänzender Themenkomplex wird den exzitonischen Transport an der Oberfläche und im Volumen vergleichen. Mit dem konzeptionellen Ansatz, einkristalline Strukturen unterschiedlicher Größe zu untersuchen, kann der Einfluss der Grenzflächen variiert und unabhängig vom Volumenbeitrag analysiert werden.

Da in einem kristallinen Verbund die optischen Eigenschaften der einzelnen Moleküle weitestgehend erhalten bleiben, kommt der molekularen Orientierung und den beteiligten elektronischen Niveaus eine besondere Bedeutung zu. Nach spektraler Charakterisierung der reinen polyaromatischen Systeme soll durch Photolumineszenzmessungen die Kopplung einzelner Fremdmoleküle bzw. Aggregate an die Feldverteilung innerhalb und in unmittelbarer Umgebung um die Oberflächenstrukturen untersucht werden. Zentrale Kenngrößen sind die spektrale Verschiebung der Anregung, die Änderung ihrer Lebensdauer und auftretende Resonanzphänomene.

Die spezielle Berücksichtigung der räumlichen Randbedingungen macht diese Daten für theoretische Konzepte und Beschreibungen der lichtinduzierten Dynamik in molekularen Verbänden interessant, welche einen zentralen Bestandteil der beantragten Forschungsaktivitäten bilden (z.B. in den theoretisch ausgerichteten Teilprojekten).

Das Verständnis der mikroskopischen Prozessen und ihrer Abhängigkeit von den materialspezifischen Kenngrößen soll in die Realisierung innovativer Bauteilarchitekturen, wie beispielsweise hocheffizienter molekularer Quantenemitter, einfließen. Hierbei sollen durch kombinatorische Materialansätze organische, kristalline Nanostrukturen mit Fremdmolekülen einer gewünschten Emissionswellenlänge hergestellt und deren Emittereigenschaften durch die geometrischen Randbedingungen kontrolliert werden.