TY  - JOUR
A1  - Weissenseel, Sebastian
A1  - Gottscholl, Andreas
A1  - Bönnighausen, Rebecca
A1  - Dyakonov, Vladimir
A1  - Sperlich, Andreas
T1  - Long-lived spin-polarized intermolecular exciplex states in thermally activated delayed fluorescence-based organic light-emitting diodes
JF  - Science Advances
N2  - Spin-spin interactions in organic light-emitting diodes (OLEDs) based on thermally activated delayed fluorescence (TADF) are pivotal because radiative recombination is largely determined by triplet-to-singlet conversion, also called reverse intersystem crossing (RISC). To explore the underlying process, we apply a spin-resonance spectral hole-burning technique to probe electroluminescence. We find that the triplet exciplex states in OLEDs are highly spin-polarized and show that these states can be decoupled from the heterogeneous nuclear environment as a source of spin dephasing and can even be coherently manipulated on a spin-spin relaxation time scale T-2* of 30 ns. Crucially, we obtain the characteristic triplet exciplex spin-lattice relaxation time T-1 in the range of 50 mu s, which far exceeds the RISC time. We conclude that slow spin relaxation rather than RISC is an efficiency-limiting step for intermolecular donor:acceptor systems. Finding TADF emitters with faster spin relaxation will benefit this type of TADF OLEDs.
KW  - detected magnetic-resonance
KW  - population oscillations
KW  - polaron delocalization
KW  - charge separation
KW  - hole
KW  - phosphorescence
KW  - singlet
KW  - absorption
KW  - tryptophan
KW  - emission
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-265508
VL  - 7
IS  - 47
ER  - 
TY  - THES
A1  - Riese, Stefan
T1  - Photophysics and Spin Chemistry of Donor-Acceptor substituted Dipyrrinato-Metal-Complexes
T1  - Photophysik und Spin-Chemie in Donor-Akzeptor substituierten Dipyrrinato-Metall-Komplexen
N2  - In this thesis, the photophysics and spin chemistry of donor-photosensitizer-acceptor triads were investigated. While all investigated triads comprised a TAA as an electron donor and a NDI as an electron acceptor, the central photosensitizers (PS) were different chromophores based on the dipyrrin-motif. The purity and identity of all target compounds could be confirmed by NMR spectroscopy, mass spectrometry and elemental analysis.
The first part of the work dealt with dipyrrinato-complexes of cyclometalated heavy transition metals. The successful synthesis of novel triads based on Ir(III), Pt(II) and Pd(II) was presented. The optical and electrochemical properties indicated charge separation (CS), which was confirmed by transient absorption (TA) spectroscopy. TA-spectroscopy also revealed that the process of CS is significantly slower and less efficient for the triads based on Pt(II) and Pd(II) than for the analogous Ir(III) triads. This is mostly due to a much more convoluted reaction pathway, comprising several intermediate states before the formation of the final charge separated state (CSS2). On the other hand, CSS2 exhibits long lifetimes which are dependent on the central metal ion. While the Ir(III) triads show lifetimes of about 0.5 µs in MeCN, the Pt(II) and Pd(II) analogues show lifetimes of 1.5 µs. The magnetic field effect on the charge recombination (CR) kinetics of CSS2 was investigated by magnetic field dependent ns-TA spectroscopy and could be rationalized based on a classical kinetic scheme comprising only one magnetic field dependent rate constant k±. The behavior of k± shows a clear separation of the coherent and incoherent spin interconversion mechanisms. While the coherent spin evolution is due to the isotropic hyperfine coupling with the magnetic nuclei of the radical centers, the incoherent spin relaxation is due to a rotational modulation of the anisotropic hyperfine coupling tensor and is strongly dependent on the viscosity of the solvent. This dependence could be used to measure the nanoviscosity of the oligomeric solvent pTHF, which was found to be distinctly different from its macroviscosity.
The second part of the work dealt with bisdipyrrinato complexes and their bridged porphodimethenato (PDM) analogues. Initially, the suitability of the different chromophores for the use as PS in donor-acceptor substituted triads was tested by a systematic investigation of their steady state and transient properties. While the PDM-complex of Zn(II) and Pd(II) exhibited promising characteristics such as a high exited state lifetime and relatively intense emission, the purely organic parent PDM and the non-bridged bisdipyrrinato-Pd(II) complex were less suitable. The difference between the two Pd(II) complexes could be explained by a structural rearrangement of the non-bridged complex which results in a non-emissive metal centered triplet state with disphenoidal geometry. This rearrangement is prevented by the dimethylmethylene-bridges in the bridged analogue resulting in higher phosphorescence quantum yields and excited state lifetimes.
With the exception of the Zn(II)PDM-complex, the synthesis of novel donor acceptor substituted triads could be realized for all desired central chromophores. They were investigated equivalently to the cyclometalated triads described in the first part. The steady state properties indicate a stronger electronic coupling between the subunits due to the lack of unsaturated bridges between the donor and the central chromophore. Photoinduced CS occurs in all investigated triads. Due to the low exited state lifetimes of the central chromophores, CSS is formed less efficiently for the triads based on the unbridged Pd(II)-complex as well as the purely organic PDM. In the triad based on the bridged Pd(II) complex, the CR of CSS2 is faster than its formation resulting in low intermediate concentrations. For its elongated analogue, this is not the case and CSS2 can be observed clearly. Although the spin-chemistry of the triads based on bisdipyrrinato-Pd(II) and porphodimethenato-Pd(II) is less well understood, first interpretations of the magnetic field dependent decay kinetics gave results approximately equivalent to those obtained for the cyclometalated triads. Furthermore, the MFE was shown to be useful for the investigation of the quantum yield of CS and the identity of the observed CSSs.
In both parts of this work, the influence of the central photosensitizer on the photophysics and the spin chemistry of the triads could be shown. While the process of CS is directly dependent on the PS, the PS usually is not directly involved in the final CSSs. None the less, it can still indirectly affect the CR and spin chemistry of the CSS since it influences the electronic coupling between donor and acceptor, as well as the geometry of the triads.
N2  - In der vorliegenden Arbeit wurden die Photophysik und Spinchemie von Donor-Photosensibilisator-Akzeptor-Triaden untersucht. In allen untersuchten Triaden wurden Triarylamin (TAA) bzw. Naphthalindiimid (NDI) als Elektronen-Donor bzw. -Akzeptor verwendet. Der zentrale Photosensibilisator (PS) hingegen wurde variiert, behielt allerdings das Dipyrrin-Chromophor als gemeinsames Strukturmotiv bei. Alle Zielverbindungen wurden mittels NMR-Spektroskopie, Massenspektrometrie und Elementaranalyse auf Identität und Reinheit geprüft.
Der erste Abschnitt der Arbeit beschäftigte sich mit cyclometallierten Dipyrrinato-Komplexen schwererer Übergangsmetalle. Die erfolgreiche Synthese von neuartigen Triaden mit Ir(III)-, Pt(II)- und Pd(II)- Zentralionen wurde beschrieben. Die optischen und elektrochemischen Eigenschaften der Verbindungen deuteten auf das Auftreten von Ladungstrennung hin was mit Hilfe transienter Absorptionsspektroskopie (TA) bewiesen werden konnte. Weiterhin ergab die Untersuchung der Stoffe, dass die Ladungstrennung in den Triaden mit Pd(II) und Pt(II) als Zentralion wesentlich langsamer und weniger effizient abläuft als in den analogen Verbindungen mit Ir(III) als Zentralion. Der resultierende ladungsgetrennte Zustand (CSS2) weist eine hohe Lebenszeit auf, welche vom Zentralatom abhängt. Für Ir(III) beträgt diese ungefähr 0.5 µs, während sie für Pt(II) und Pd(II) auf ca. 1.5 µs ansteigt. Der Einfluss eines externen Magnetfeldes auf die Kinetik der Ladungsrekombination (CR) wurde mittels magnetfeldabhängiger ns-TA-Spektroskopie untersucht. Der auftretende Magnetfeldeffekt (MFE) konnte mit Hilfe eines klassischen Modells auf eine einzige magnetfeldabhängige Geschwindigkeitskonstante k± zurückgeführt werden. Der Verlauf von k± zeigt eine deutliche Trennung der kohärenten und inkohärenten Spin-Flip-Mechanismen. Während die kohärente Spin-Umwandlung auf die isotrope Hyperfeinkopplung mit den magnetischen Nuklei der Radikalzentren zurückgeht, wird die inkohärente Spin Relaxation durch die Rotationsmodulation des anisotropen Hyperfeinkopplung-Tensors hervorgerufen und ist daher stark abhängig von der Viskosität des Lösungsmittels. Dieser Umstand wurde dazu genutzt die Nanoviskosität des polymeren Lösungsmittels pTHF zu messen, welche stark von der angegebenen Makroviskosität abweicht.
Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden zunächst mehrere Bisdipyrrinato-Metall-Komplexe sowie ihre verbrückten Porphodimethenato (PDM)-Analoga hinsichtlich ihrer Eignung als PS in Donor-Akzeptor-substituierten Triaden getestet. Während die verbrückten Zn(II)- und Pd(II)-Komplexe vielversprechende Eigenschaften wie langlebige angeregte Zustände und relativ intensive Emission aufweisen, erscheinen der unverbrückte Pd(II)-Komplex sowie der nicht komplexierte PDM-Ligand weniger geeignet. Der große Unterschied zwischen den beiden augenscheinlich ähnlichen Pd(II)-Komplexen ist auf eine strukturelle Reorganisation der Geometrie des unverbrückten Komplexes zurück zu führen. Diese resultiert in einem Metall-zentrierten Triplet-Zustand mit bisphenoidaler Geometrie, welcher schnell und strahlungslos in den Grundzustand übergeht. Im verbrückten Komplex hingegen verhindern die Dimethylmethylen-Brücken zwischen den beiden Dipyrrin-Chromophoren die strukturelle Umordnung und erhöhen daher die Lebenszeit und Quantenausbeute der Phosphoreszenz.
Mit Ausnahme des Zn(II)-PDM-Komplexes konnten für alle geeigneten PS die entsprechenden Donor-Akzeptor substituierten Triaden synthetisiert werden. Diese wurden mit den bereits für die cyclometallierten Triaden beschriebenen Methoden untersucht. Da keine ungesättigte Verbindung zwischen Donor und PS vorhanden ist, sind die elektronischen Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Untereinheiten nicht vernachlässigbar. In allen untersuchten Triaden konnte photo-induzierte Ladungstrennung (CS) nachgewiesen werden. Diese ist weniger effizient für Photosensibilisatoren in welchen der angeregte Zustand eine kurze Lebenszeit aufweist. Während für die Triade mit dem verbrückten Pd(II)-PDM-Komplex als PS, die CR von CSS2 schneller ist als seine Bildung, ist die Lebensdauer von CSS2 im verlängerten Anlog deutlich höher und CSS2 kann klar nachgewiesen werden. Obwohl die Spin-Chemie der Bisdipyrrinato- und Porphodimethenato-Triaden weniger gut untersucht wurden, ergab die Analyse der durchgeführten Magnetfeld-abhängigen Messung der CR-Kinetik Ergebnisse, die gut mit den Befunden für die cyclometallierten Triaden übereinstimmen. 
In beiden Teilen dieser Arbeit konnte der Einfluss des Photosensibilisators auf die Photophysik und Spin-Chemie der Triaden gezeigt werden. Während die CS direkt vom PS abhängt, ist dieser normalerweise nicht direkt am finalen CSS beteiligt. Dennoch kann der PS die CR und Spin-Chemie des ladungsgetrennten Zustandes indirekt beeinflussen, da er die elektronische Wechselwirkung zwischen Donor und Akzeptor sowie die Struktur der Triaden bestimmt.
KW  - Charge-transfer-Komplexe
KW  - Ladungstrennung
KW  - Lichtabsorption
KW  - Spin-chemistry
KW  - magnetic field effect
KW  - transient absorption
KW  - charge separation
KW  - charge recombination
KW  - radical ion pair
KW  - isotropic hyper fine coupling
KW  - spin relaxation
KW  - structural restriction
Y1  - 2019
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-180228
ER  - 
TY  - THES
A1  - Geiß, Barbara
T1  - Donor-Acceptor Substituted Triplet Emitters
T1  - Donor-Akzeptor substutuierte Triplett-Emitter
N2  - Im ersten Teil dieser Arbeit wurden die Synthesen und photophysikalischen Eigenschaften mehrerer Donor-Akzeptor-substituierter Übergangsmetallkomplexe des Typs [(C^N)2Ir(N^N)][PF6] vorgestellt. Das Ir(III) wurde mit Lochleitern wie Carbazol (CZ) und Triarylamin (TAA), die über eine Methyl- und Ethylbrücke mit dem cyclometallierten C^N-Liganden Phenylpyrazol (ppz) und Phenylpyridin (ppy) verbunden waren, verknüpft. Zweizähnige neutrale N^N- und P^P-Liganden wie 2,2’-Bipyridyl (bpy), 3,4,7,8-Tetramethyl-1,10-phenanthrolin (tmp) und cis-1,2-Bis(diphenylphosphino)ethylen (bdppe) wurden als Akzeptoren ausgewählt.Um die Eigenschaften in Vergleich setzen zu können, wurden die entsprechenden Referenzverbindungen ohne Lochleiter hergestellt. Alle Carbazol-Komplexe, bis auf die bdppe-Verbindungen, zeigen Emission und transiente Absorption ähnlich denen ihrer Referenzverbindungen, was sie für Anwendungen in der OLED-Forschung interessant macht. Untersuchungen an LECs (lichtemittierende elektrochemische Zellen) zeigen eine rotverschobene Lumineszenz. Die Triarylamin-Komplexe zeigen keine Emission bei RT, allerdings weisen diese eine intensive, blauverschobene und langlebige Lumineszenz bei 77 K in einer festen Matrix auf. Die transienten Absorptionsspektren unterscheiden sich stark von denen der Referenzverbindungen. Sie weisen charakteristische Merkmale von den Spektren der isolierten Radikalanionen und Radikalkationen auf, was durch spektroelektrochemische Messungen bewiesen wurde. Daraus kann geschlossen werden, dass es sich bei dem angeregten Zustand um einen ladungsgetrennten (CS) Zustand handelt, wo die positive Ladung am Triarylamin-Donor und die negative Ladung am N^N-Akzeptor sitzt. Die Abklingzeiten der angeregten Zustände verlaufen biexponentiell, was ein Hinweis auf das Vorhandensein zweier angeregter Zustände, dem 1CS und 3CS Zustand, ist. Um dieses Verhalten zu untersuchen, wurden verschieden substituierte bpy-Komplexe synthetisiert und analysiert. Temperaturabhängige Messungen der transienten Absorption zeigten, dass alle Ratenkonstanten temperaturunabhängig sind, mit Ausnahme des OMe-substituierten Komplexes. Die Gleichgewichtskonstante K = k1 / k2 ist nahezu eins für alle Komplexe. Bei dem OMe-Komplex sinkt sie mit steigender Temperatur. Eine Auftragung der Ratenkonstanten gegen die Energiedifferenzen, die durch cyclovoltammetrische Messungen erhalten wurden, zeigte, dass alle Konstanten mit steigender Donorstärke am bpy-Liganden abfallen. DFT-Rechnungen an der OMe-Verbindung sind noch in Arbeit. Im zweiten Teil dieser Arbeit wurden neutrale Ir(III) und Pt(II) Komplexe des Typs [(O^O)Ir(N^N)2] und [(O^O)Pt(N^N)] vorgestellt. Hier wurde TAA mit Acetylacetonat (acac) direkt, oder über eine CH2-Brücke verbunden, um den Einfluss der Art der Verbrückung auf die photophysikalischen Eigenschaften zu beobachten. Als zweizähniger N^N-Ligand wurde 2,2’-Bipyridyl (bpy) gewählt. Auch hier wurden alle entsprechenden Referenzverbindungen ohne Triarylamin als Vergleich hergestellt. Zudem wurde der homoleptische fac Ir(N^N)3 Komplex mit Triarylamin, welches über eine Methyl- und Ethylbrücke an Phenylpyrazol angeknüpft wurde, synthetisiert. Die Synthese des Ir(III)-Komplexes mit TAA substituiertem acac-Liganden verknüpft über eine CH2-Brücke konnte nicht hergestellt werden. Alle neutralen TAA-substituierten -diketonato Pt(II) und Ir(III) Komplexe zeigen keine Lumineszenz, außer dem Pt(II)-Komplex mit CH2-Gruppe. Dieser zeigt angeregte Zustände die in guter Übereinstimmung mit den Emissionslebenszeiten bei RT sind. Diese sind ähnlich denen der Referenz, was auf einen 3Pt(N^N)(O^O)- Zustand schließen lässt. Die Komplexe ohne CH2-Brücke zeigen zudem keine transiente Absorption was auf ein Charge-Transfer-Quenching aufgrund der direkten Verknüpfung zwischen Donor und Akzeptor zurückzuführen sein könnte. Der homoleptische fac Ir(N^N)3 Komplex weist weder Emission bei RT, noch transiente Absorption auf. Bei 77 K ist eine stark strukturierte Emission mit einer Abklingzeit von 14 s zu beobachten. Verglichen mit dem literaturbekannten Vergleichskomplex ist die Emission auf die Bevölkerung eines 3Ir(ppz)3-Zustandes zurückzuführen. Unsere Ergebnisse sind grundlegend für die Synthese weiterer Verbindungen mit stärkeren Akzeptoren, wie z. B. Naphthalenimid, um längerlebige ladungsgetrennte Zustände zu erhalten. Diese könnten Anwendung als Photosynthesiser in Solarzellen und anderen optoelektronischen Bauteilen finden. Zudem sind weiter Untersuchungen an LECs und OLEDs für die Carbazol-Komplexe noch immer von Interesse, um das Ausmaß der Triplett-Triplett-Annihilierung zu quantifizieren.
N2  - In the first part of this work we presented the synthesis and photophysical properties of a series of transition metal donor-acceptor Ir(III)complexes of the type [(C^N)2Ir(N^N)][PF6]. The Ir(III) was connected with hole conducting donor-moieties like carbazole (CZ) and triarylamine (TAA) linked via a methylene and ethylene bridge to the cyclometalating C^N ligands phenylpyrazole (ppz) and phenylpyridine (ppy). Bidentate N^N and P^P ligands like 2,2’-bipyridyl (bpy), 3,4,7,8-tetramethyl-1,10-phenanthroline (tmp) and cis-1,2-bis(diphenylphosphino)ethylene (bdppe) were used as acceptor units. In order to analyse the influence of the electron density of the bpy ligand, TAA-complexes with acceptor- and donor-substituted bpy acceptor units were synthesised. Therefore, 4,4’-dinitro-2,2’-bipyridyl, 4,4’-dichloro-2,2’-bipyridyl, 4,4’-dimethoxy-2,2’-bipyridyl and 4,4’-dimethylamino-2,2’bipyridyl were used as neutral N^N ligands. In order to compare the photophysical properties, all reference compounds without hole conducting component were syntesised. All the carbazole compounds, except the bdppe complexes, exhibit emission and transient absorption properties similar to their reference compounds that make them interesting for OLED (organic light emitting device) applications. LEC (light emitting electrochemical cell) studies show a red shifted luminescence. The triarylamine compounds do not luminesce at RT but they exhibit an intense, blue-shifted and long-lived luminescence at 77 K in a rigid matrix. The transient absorption spectra differ strongly from that of their reference compounds. The spectra display characteristic features of the spectra of the isolated radical anions and cations supported by spectroelectrochemical measurements. Thus, it can be assumed that the transient states are charge separated (CS) states in which the positive charge is localised at the TAA donor units and the negative charge at the N^N acceptor units. The decays of the transient states are biexponentially what indicates the presence of two transient states, the 1CS and the 3CS state. To understand this behaviour the differently substituted bipyridyl-complexes were synthesised and analysed. Temperature dependent transient absorption measurements showed that all rate constants are indepentend of the temperature, except for the complex with OMe subsituents at the bpy ligand. The equilibrium constant K = k1 / k2 is nearly one for all complexes. For the OMe-compound it decreases with increasing temperature. Plotting the rate constants vs. the free energy differences (determined by cyclovoltammetry measurements) shows that all constants are decreasing with increasing donor strength of the bpy ligand. DFT calculations on the OMe-compound are already in work. In the second part of this work, neutral Ir(III) and Pt(II) complexes of the type [(O^O)Ir(N^N)2] and [(O^O)Pt(N^N)] were introduced. There, TTA was connected directly or via a CH2 bridge to acectylacetonate (acac = O^O) in order to probe the influence of the different kinds of connection on the photophysics of the complexes. As the bidentate N^N ligand 2,2’-bipyridyl (bpy) was chosen. All the corresponding reference compounds without triarylamine were obtained in order to compare with the TAA substituted analoga. Furthermore, the homoleptic fac Ir(N^N)3 complex with triarylamine connected via a methylene and ethylene bridge to phenylpyrazole as introduced in the first part of this work was synthesised. The synthesis of the Ir(III) compound with the TAA substituted acac ligand connected via the CH2 group was not successful. All the neutral triarylamine-substituted -diketonato Pt(II) and Ir(III) complexes do not luminesce at RT, except the Pt(II)-complex with CH2 bridge. This compound shows transient state characteristics that are in good agreement with the luminescence lifetimes at RT and that are similar to the reference compound, what suggests to a 3Pt(N^N)(O^O) state. The complexes without the CH2 bridging unit show no transient signals what may be caused by charge-transfer quenching due to the direct linkage between donor and acceptor unit. The homoleptic fac Ir(N^N)3 complex exhibits no emission at RT and no transient signals. At 77 K it shows a highly structured emission with 14 s lifetime. Compared to the literature-known reference compound this emission is caused by the population of a 3Ir(ppz)3 state. Our findings are important for designing complexes with stronger acceptor units (i.e. naphthaleneimide) for long CS states lifetimes to be used as photosynthesisers in solar cells and other optoelectronic devices. Besides, LEC and OLED studies on the carbazole complexes are still of interest to analyse the degree of triplet-triplet-annihiliation in these devices.
KW  - Tiplet emiters
KW  - charge separation
KW  - Tiplett Emitter
KW  - ladungsgetrennte Zustände
KW  - Tiplet emiters
KW  - charge separation
Y1  - 2009
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-39721
ER  -