Singlet-Exciton-Fission in Polyacen-Komplexen: Van-der-Waals Dimere in der Gasphase und in Helium-Nanotröpfchen

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Stienkemeier
• Fachliche Zuordnung: Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 429809130

Das Projekt befasst sich mit der experimentellen Untersuchung von „Singlet Fission“ (SF) in Polyacen-Dimeren. SF wurde erstmals 1965 eingeführt zur Erklärung der Photophysik in kristallinem Anthracen. Aufgrund der Möglichkeit zur Anwendung in der organischen Photovoltaik entstand im letzten Jahrzehnt ein starkes Interesse zu dieser Thematik. Die Ausnutzung des SF-Phänomens ist prinzipiell geeignet, die Shockley-Queisser-Effizienzgrenze von Einfach-Solarzellen deutlich über 30% zu erhöhen. Um den SF-Prozess zu optimieren, ist es notwendig, seine Abhängigkeit von Struktur und den Moleküleigenschaften sowie die Natur der beteiligten Elementarprozesse zu verstehen. Die höchste Effizienz von SF wurde bisher in Tetracen und Pentacen und deren Derivaten beobachtet.Trotz der Vielzahl experimenteller Untersuchungen ist es immer noch schwierig, Experiment und Theorie schlüssig zu kombinieren. Die Hauptbemühungen der Experimentatoren richten sich auf die Untersuchung von Filmen oder polykristallinen Proben von Polyacenen. In der Interpretation ist die komplizierte Morphologie der Filme schwer zu berücksichtigen; außerdem können effiziente Methoden der Photophysik, wie sie in Gasphasenstudien verwendet werden, nicht angewendet werden. In diesem Projekt werden Van-der-Waals-Dimere von Polyacenen als das einfachste elektronische System aus zwei Polyacenmolekülen untersucht. Dies geschieht unter Molekularstrahlbedingungen und in dotierten Helium-Nanotröpfchen. Die sehr niedrige Temperatur von 0.4K in Helium-Nanotröpfchen ermöglicht es, die Natur des Singulett-Exzitons zu identifizieren aufgrund der Vereinfachung der Absorptionsspektren sowie der Identifizierung des sogenannten "dunklen" Zustands mit Hilfe von Photoelektronen-Spektroskopie. Methodisch wird Velocity-Map-Imaging von Photoelektronen angewendet, um die Photophysik von SF-Prozessen detailliert zu untersuchen. Messungen der Echtzeitdynamik des SF-Prozesses in Dimeren werden mit Femtosekunden-Pump-Probe-Techniken in Helium-Nanotröpfchen und Molekularstrahlen erreicht. Die Freiburger Gruppe verfügt über ein einen Apparatur zur Herstellung von mit Molekülen dotierten Helium-Nanotröpfchen und entsprechende Nanosekunden- und Femtosekunden-Laser, sowie über umfangreiche Erfahrungen in der Spektroskopie und Echtzeitdynamik molekularer Systeme. Die Novosibirsk-Gruppe verfügt über einen gepulsten Molekularstrahlaufbau in Kombination mit einem Velocity-Map-Imaging-Spektrometer sowie über umfangreiche Erfahrungen in der Anwendung von Photophysik und -Chemie von van-der-Waals-Molekülkomplexen. Das Projekt zielt auf eine enge Zusammenarbeit beider Gruppen ab aufbauend auf einer sehr erfolgreichen Zusammenarbeit mit gemeinsamen Publikationen, bei denen Techniken und Ausrüstung für das vorgeschlagene Projekt bereits verwendet wurden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Alexey V. Baklanov, bis 3/2022