Photophysics of innovative organic charge-transfer systems by combining optical spectroscopy and quantum chemistry

• Autores: Siyang Feng
• Directores de la Tesis: Johannes Gierschner (dir. tes.), Reinhold Wannemacher (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Autónoma de Madrid ( España ) en 2024
• Idioma: inglés
• Número de páginas: 241
• Tribunal Calificador de la Tesis: M. Carmen Ruiz Delgado (presid.), Giovanni Bottari (secret.), Emilio Pérez Álvarez (voc.), Joaquín Calbo Roig (voc.), Juan Cabanillas González (voc.)
• Programa de doctorado: Programa Oficial de Doctorado en Filosofía
• Materias:
  • Física
    • Óptica
      • Espectroscopia
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Biblos-e Archivo
• Resumen
  • español

    Los materiales moleculares orgánicos conjugados han alcanzado una amplia aplicación en el campo de la optoelectrónica debido a su multifuncionalidad y adaptabilidad estructural. No obstante, su utilización en diversos ámbitos depende en gran medida de una comprensión profunda de los complejos procesos fotofísicos. Este estudio se propone investigar la compleja fotofísica de los materiales moleculares orgánicos conjugados mediante la integración de técnicas espectroscópicas avanzadas y métodos de química computacional, proporcionando así fundamentos teóricos y evidencia experimental para impulsar el desarrollo de materiales optoelectrónicos de alto rendimiento de próxima generación.

    Esta investigación se centra en tres áreas clave: En primer lugar, profundiza en las características fotofísicas de los exciplejos dador-aceptor con estructuras flexibles y procesos dinámicos complejos, con el objetivo de ampliar su potencial en aplicaciones de detección, OLED y láser. En segundo lugar, investiga exhaustivamente los materiales de fluorescencia retardada activada térmicamente (TADF) basados en transiciones singlete-triplete, con el objetivo de mejorar su eficiencia de conversión de electroluminiscencia. Por último, este estudio se dedica a desarrollar estrategias de diseño eficaces para lograr moléculas emisoras de banda estrecha con alta pureza de color, abordando un desafío crítico en la tecnología OLED actual.

    Esta tesis doctoral emplea un enfoque multidisciplinar, integrando técnicas espectroscópicas experimentales avanzadas (incluyendo espectroscopía de estado estacionario y resuelta en el tiempo) con métodos sofisticados de química computacional (como TD-DFT y simulaciones de dinámica molecular) para investigar sistemáticamente procesos fotofísicos complejos en sistemas moleculares caracterizados por ricas propiedades de transferencia de carga. Este enfoque integral no solo profundiza nuestra comprensión de los mecanismos fotofísicos fundamentales, sino que también proporciona una orientación crucial para el diseño racional de nuevos materiales optoelectrónicos. Los resultados de la investigación incluyen: (1) Una comprensión exhaustiva de las vías fotofísicas complejas de las tríadas D–σ–A–σ–D con longitudes variables de espaciadores flexibles en soluciones líquidas y sólidas; (2) Exploración de los procesos fotofísicos de la molécula TADF 4DP-IPN como un fotocatalizador orgánico homogéneo eficiente y el origen de los componentes de fluorescencia retardada en estado sólido en la supuesta molécula TADF tipo MR DABNA-1; (3) Desarrollo de materiales luminiscentes de boro-nitrógeno novedosos, eficientes y de color puro basados en el concepto de diseño de "Omni-Deslocalización Poli-Heteroaromática" (PHOD, por sus siglas en inglés), ofreciendo nuevas perspectivas y metodologías para el diseño y optimización de materiales optoelectrónicos orgánicos

  • English

    Organic conjugated molecular materials have garnered widespread application in the field of optoelectronics due to their multifunctionality and structural tunability. However, their utilization across various domains is largely contingent upon a profound comprehension of intricate photophysical processes. This study aims to investigate the complex photophysics of organic conjugated molecular materials by integrating advanced spectroscopic techniques and computational chemistry methods, thereby providing theoretical foundations and experimental evidence to propel the development of next-generation high-performance optoelectronic materials.

    This research focuses on three key areas: Firstly, it delves into the photophysical characteristics of donor-acceptor exciplexes with flexible structures and complex dynamic processes, aiming to expand their potential in sensing, OLED, and laser applications. Secondly, it thoroughly investigates thermally activated delayed fluorescence (TADF) materials based on singlet-triplet transitions, with the objective of enhancing their electroluminescence conversion efficiency. Lastly, this study is dedicated to developing effective design strategies for achieving narrow-band emitting molecules with high color purity, addressing a critical challenge in current OLED technology.

    This dissertation employs a multidisciplinary approach, integrating advanced experimental spectroscopic techniques (including steady-state and time-resolved spectroscopy) with sophisticated computational chemistry methods (such as TD-DFT and molecular dynamics simulations) to systematically investigate complex photophysical processes in molecular systems characterized by rich charge transfer features. This comprehensive approach not only deepens our understanding of fundamental photophysical mechanisms but also provides crucial guidance for the rational design of novel optoelectronic materials. The research outcomes include: (1) A comprehensive understanding of the complex photophysical pathways of D–σ–A–σ–D triads with varying flexible spacer lengths in liquid and solid solutions; (2) Exploration of the photophysical processes of the TADF molecule 4DP-IPN as an efficient homogeneous organic photocatalyst and the origin of solid-state delayed fluorescence components in the MR-type supposed TADF molecule DABNA-1; (3) Development of novel, efficient, and pure-color boron-nitrogen luminescent materials based on the "Poly-Heteroaromatic Omni-Delocalization" (PHOD) design concept, offering new insights and methodologies for the design and optimization of organic optoelectronic materials