Published July 7, 2020 | Version v1
Miscellaneous Open

Theoretical, cross-scale investigations of structure-property relationships of molecular materials in organic electronics

Description

Organic semiconductors offer many advantages over conventional semiconductors such as silicon or gallium arsenide. These include, for example, the structural diversity of the molecules, which allows application-specific optimization of the material properties, the resource-saving manufacturing processes of electronic components or the mechanical flexibility of corresponding films. While organic light-emitting diodes are already used in commercial products and allow the development of high-resolution displays, deficits in performance prevent the widespread use of technologies such as organic field-effect transistors or solar cells. Optimizing organic devices requires a detailed understanding of underlying effects at the molecular level. In this way, optimized materials can be developed in a targeted manner and changes can be made to the architecture of the devices. The aim of this dissertation thesis is to gain knowledge of low-mass organic semiconductors based on hierarchical material simulations. This means that the properties of this class of materials are studied across scales and related to the molecular structure. The parallel model development for the simulation of the materials allows the systematic study of molecular and film structures. This is a necessary prerequisite to define design strategies for improved materials. Single molecule studies based on quantum chemical methods allow a criteria-based preselection of suitable molecules. Thus, they reduce the effort for synthesis and experimental characterization. Exemplarily, an analysis of the material class of BODIPYs as near-infrared absorbing donor materials for organic solar cells as well as for radical molecules is performed. In both cases, the manipulation of the frontier orbitals or the wave functions of the unpaired electrons by means of benzanellation, push-pull strategies as well as the control of the molecular sterics, among others, proves to be a target-oriented design strategy. Further development of these structure-property relationships is based on quantum chemical analysis of molecular clusters. In this way, intermolecular effects can be systematically analyzed on length scales down to 5 nm. Single-molecule studies support the interpretation of the results and reduce the required computational resources. For example, the simulation of low-energy charge transfer absorption at the donor-acceptor interface allows the analysis of disorder processes and elemental properties of organic materials. Contrary to the widely used Marcus theory, it is shown that high-energy molecular vibrational modes do not behave classically at room temperature. This leads to the definition of the temperature-dependent reduced relaxation energy, which only considers contributions of classical low-energy modes, or to the use of alternative models for the description of charge transport. Apart from these single-molecule contributions, the influence of environment-dependent molecular deformations can be observed by combining molecular dynamics simulations and time-dependent density functional theory calculations. In active layers with low donor concentration, these contribute dominantly to the broadening of low-energy charge transfer absorption in addition to the contributions of intramolecular reduced relaxation energies. Thus, they lead to voltage loss in organic solar cells and can be used to broaden the spectroscopic window in organic near-infrared detectors. Based on the results, improved design rules for donor materials can be derived. For example, stiffening the molecular backbone or attaching small functional groups can reduce these contributions. Although single molecule and molecular cluster simulations help to understand the behaviour of organic materials in electronic devices and their impact on performance, the extracted trends apply to largely homogeneous structural environments. This is often not guaranteed in organic films, motivating the simulation of representative film sections. Theoretical studies have so far largely described the properties of crystalline or amorphous structures. To characterize polycrystalline film structures, the combination of a statistical growth algorithm with force-field-based molecular dynamics simulations is suitable. This approach is applicable to diverse molecules and requires a comparatively small set of input information with crystal structure data and force field parameters. Structures constructed in this way provide a basis for systematic, order-dependent analysis of charge carrier mobility, as demonstrated for C60. Contrary to the assumption that charge transport usually becomes worse with lower structural order within the film, it is shown for C60 that energetic homogeneity can be more important than structural order. In polycrystalline C60 structures, there is an energetic gradient between molecules at grain boundaries and molecules within the crystallites, leading partially to smaller electron mobilities than for amorphous structures. With its sequence of single-molecule studies, molecular cluster analyses, and film simulations, the dissertation thesis provides in-depth insights into the structure-property relationships of organic semiconductors and, at the same time, methodologically provides new impulses for further theoretical investigation of them. Going beyond these individual advances, it demonstrates that an understanding of single molecules is necessary to model and understand phenomena in molecular clusters. Moreover, both single molecule and molecular cluster studies are necessary to describe effects in film sections. This further motivates the performance of hierarchical material studies or multiscale simulations.

Availability note (English)

Also available from: https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:14-qucosa2-721593

Abstract (German)

Organische Halbleiter bieten vielfältige Vorteile gegenüber konventionellen Halbleitern wie Silizium oder Galliumarsenid. Hierzu zählen beispielweise die Strukturvielfalt der Moleküle, welche eine anwendungsbezogene Optimierung der Materialeigenschaften erlaubt, die ressourcenschonenden Herstellungsprozesse elektronischer Bauelemente oder die mechanische Flexibilität entsprechender Filme. Während organische Leuchtdioden bereits in kommerziellen Produkten eingesetzt werden und die Entwicklung hochauflösender Displays erlauben, verhindern Defizite in der Performanz den weitreichenden Einsatz von Technologien wie organischen Feldeffekttransistoren oder Solarzellen. Für die Optimierung organischer Bauelemente ist ein detailliertes Verständnis zugrundeliegender Effekte auf molekularer Ebene erforderlich. Auf diese Weise können zielgerichtet optimierte Materialien entwickelt und Veränderungen an der Architektur der Bauelemente vorgenommen werden. Ziel dieser Dissertationsschrift ist ein Erkenntnisgewinn für niedermassige organische Halbleiter auf der Grundlage hierarchischer Materialsimulationen. Das bedeutet, dass die Eigenschaften dieser Materialklasse skalenübergreifend studiert und auf die Molekülstruktur bezogen werden. Die parallel stattfindende Modellentwicklung für die Simulation der Materialien erlaubt die systematische Studie von Molekül- und Filmstrukturen. Dies ist eine notwendige Voraussetzung, um Designstrategien für verbesserte Materialien zu definieren. Einzelmolekülstudien auf der Grundlage quantenchemischer Methoden ermöglichen eine kriterienbasierte Vorselektion geeigneter Moleküle. Damit reduzieren sie den Aufwand für Synthese und experimentelle Charakterisierung. Exemplarisch erfolgt eine Analyse der Materialklasse der BODIPYs als nahinfrarot-absorbierende Donatormaterialien für organische Solarzellen als auch für radikalische Moleküle. In beiden Fällen erweist sich die Manipulation der Grenzorbitale bzw. der Wellenfunktionen der ungepaarten Elektronen unter anderem durch Benzanellierung, Push-Pull-Strategien sowie die Kontrolle der molekularen Sterik als zielführende Designstrategie. Die Weiterentwicklung dieser Struktur-Eigenschafts-Beziehungen erfolgt auf der Grundlage der quantenchemischen Analyse von Molekülclustern. Auf diese Weise lassen sich intermolekulare Effekte auf Längenskalen von bis zu 5 nm systematisch analysieren. Dabei unterstützen Einzelmolekülstudien die Interpretation der Resultate und reduzieren die erforderlichen Rechenressourcen. Die Simulation niederenergetischer Ladungstransferabsorption an der Donator-Akzeptor-Grenzfläche erlaubt beispielsweise die Analyse von Unordnungsprozessen und elementaren Eigenschaften organischer Materialien. Entgegen der vielfältig genutzten Marcus-Theorie zeigt sich dabei, dass sich hochenergetische molekulare Schwingungsmoden bei Raumtemperatur nicht klassisch verhalten. Hieraus folgt die Definition der temperaturabhängigen reduzierten Relaxierungsenergie, welche allein Beiträge klassischer niederenergetischer Moden berücksichtigt, oder die Nutzung alternativer Modelle zur Beschreibung von Ladungstransport. Abseits dieser Einzelmolekülbeiträge kann der Einfluss umgebungsabhängiger molekularer Deformationen durch eine Verbindung von Molekulardynamik-Simulationen und zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen beobachtet werden. In aktiven Schichten mit geringer Donatorkonzentration tragen diese neben den Beiträgen der intramolekularen, reduzierten Relaxierungsenergien dominant zur Verbreiterung niederenergetischer Ladungstransferabsorption bei. Damit führen sie in organischen Solarzellen zu einem Spannungsverlust und können in organischen Nahinfrarotdetektoren zur Erweiterung des spektroskopischen Fensters genutzt werden. Basierend auf den Resultaten lassen sich verbesserte Designregeln für Donatormaterialien ableiten. Zum Beispiel können die Versteifung des molekularen Grundgerüsts oder die Anbringung kleiner funktioneller Gruppen eine Reduktion dieser Beiträge bewirken. Auch wenn Einzelmolekül- und Molekülclustersimulationen helfen, das Verhalten von organischen Materialien in elektronischen Bauelementen und ihren Einfluss auf die Performanz zu verstehen, so gelten die extrahierten Tendenzen für weitestgehend homogene strukturelle Umgebungen. Dies ist in organischen Filmen oftmals nicht gewährleistet, was die Simulation repräsentativer Filmausschnitte motiviert. Theoretische Studien beschreiben bisher weitestgehend die Eigenschaften kristalliner oder amorpher Strukturen. Um polykristalline Filmstrukturen zu charakterisieren, eignet sich die Verbindung eines statistischen Wachstumsalgorithmus mit Kraftfeld-basierten Molekulardynamik-Simulationen. Dieser Ansatz ist für vielfältige Moleküle anwendbar und erfordert mit Kristallstrukturdaten und Kraftfeldparametern einen vergleichsweise geringen Satz an Inputinformationen. Die auf diese Weise konstruierten Strukturen stellen eine Grundlage für die systematische, ordnungsabhängige Analyse der Ladungsträgermobilität dar, wie für C60 demonstriert wird. Entgegen der Annahme, dass Ladungstransport mit geringerer struktureller Ordnung innerhalb des Films üblicherweise schlechter wird, zeigt sich für C60, dass energetische Homogenität wichtiger sein kann als strukturelle Ordnung. In polykristallinen C60-Strukturen kommt es zu einem energetischen Gefälle zwischen Molekülen an Korngrenzen und Molekülen innerhalb der Kristallite, was teilweise zu kleineren Elektronenmobilitäten als für amorphe Strukturen führt. Mit der Abfolge aus Einzelmolekülstudien, Molekülclusteranalysen und Filmsimulationen gibt die Dissertationsschrift vertiefte Einblicke in die Struktur-Eigenschafts-Beziehungen organischer Halbleiter und liefert zugleich methodisch neue Impulse für die weiterführende theoretische Untersuchung dieser. Über diese individuellen Fortschritte hinausgehend zeigt sie auf, dass ein Verständnis der Einzelmoleküle erforderlich ist, um Phänomene in Molekülclustern zu modellieren und zu verstehen. Zudem sind sowohl Einzelmolekül- als auch Molekülclusterstudien notwendig, um Effekte in Filmausschnitten zu beschreiben. Damit wird die Durchführung von hierarchischen Materialstudien bzw. Multiskalensimulationen weiter motiviert.

Files

52091080.pdf

Files (13.6 MB)

Name Size Download all
md5:81d68a47d79a2a91563d365d30bca803
13.6 MB Preview Download

Additional details

Additional titles

Original title (German)
Theoretische, skalenübergreifende Untersuchungen von Struktur-Eigenschafts-Beziehungen molekularer Materialien in der Organischen Elektronik

Publishing Information

Imprint Pagination
164 p.
Report number
INIS-DE--2877