Organische molekulare Festkörper: Einführung in die Physik von Pi-Systemen
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| Veröffentlicht: |
Weinheim
WILEY-VCH
2005
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| Schriftenreihe: | Lehrbuch Physik
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|---|---|
| adam_text | Inhalt
1 Einleitung 1
1.1 Was sind organische Festkörper?........................ 1
1.2 Was sind die besonderen
Charakteristika
organischer Festkörper?....... 7
1.3 Ziele und Zukunftsaussichten.......................... 14
Literatur........................................ 16
2 Kräfte und Strukturen 17
2.1 Kräfte...................................... 17
2.1.1 Induktionskräfte............................ 18
2.1.2 Van der Waals-Kräfte.......................... 19
2.1.3 Abstoßungskräfte............................ 21
2.1.4 Intermolekulare Potentiale....................... 22
2.1.5 Coulombkräfte............................. 24
2.2 Strukturen.................................... 26
2.2.1 Kristalle aus nichtpolaren Molekülen................. 26
2.2.2 Kristalle aus Molekülen mit polaren Substituenten.......... 31
2.2.3 Kristalle mit geringer Packungsdichte, Clathrate ........... 31
2.2.4 Kristalle aus Molekülen mit Ladungsübertragung, Radikalionensalze 32
2.3 Polymereinkristalle: Diacetylene........................ 35
2.4 Dünne Schichten................................ 37
2.5 Anorganisch-organische Hybridkristalle.................... 42
Literatur........................................ 43
3 Reinigung der Materialien, Zucht der Kristalle und Herstellung
dünner Schichten 45
3.1 Reinigung.................................... 45
3.2 Höchste Reinheit................................ 49
3.3 Kristallzucht................................... 51
3.4 Mischkristalle.................................. 57
3.5 Epitaxie, ultradünne Schichten......................... 58
Literatur........................................ 59
4 Verunreinigungen und Fehlstellen 61
4.1 Fremdmoleküle, Verunreinigungen, X-Fallen................. 61
4.2 Strukturelle Defekte............................... 64
VIII Inhalt
4.2.1 Punkt-Defekte............................. 64
4.2.2 Versetzungen.............................. 65
4.2.3 Komgrenzen.............................. 68
4.2.4 Dipolare Unordnung.......................... 68
4.3 Charakterisierung und Analyse von Verunreinigungen............. 69
4.4 Charakterisierung von Defekten........................ 70
Literatur........................................ 71
5 Molekül- und Gitterdynamik in organischen Molekülkristallen 73
5.1 Einleitung.................................... 73
5.2 Intramolekulare Schwingungen......................... 75
5.3 Phononen.................................... 76
5.3.1 Der Eigenvektor............................ 78
5.3.2 Der Wellenvektor............................ 79
5.3.3 Die Frequenzen
Ω (Κ).........................
80
5.3.4 Die Anregung.............................. 80
5.4 Experimentelle Methoden............................ 81
5.4.1 Inelastische Neutronenstreuung.................... 81
5.4.2 Raman-Streuung und Infrarot-Absorption............... 83
5.5 Die 12 externen Phononen des Naphthalin-Kristalls.............. 83
5.5.1 Dispersionskurven........................... 83
5.5.2 Druck- und Temperaturabhängigkeit.................. 87
5.6 Analytische Formulierang der Gitterdynamik
in Molekülkristallen............................... 90
5.7 Phononen in anderen Molekülkristallen.................... 92
5.8 Behinderte Rotation und Diffusion....................... 96
5.8.1 Kernspinresonanz (NMR): Zweites Moment der Linienform
und Spin-Gitter-Relaxation....................... 96
5.8.2 Benzol-Kristalle............................ 98
5.8.3 Methyl-Gruppen............................ 100
5.8.4 Diffusion................................ 103
Literatur........................................ 104
6 Elektronische Anregungszustände, Excitonen, Energieleitung 107
6.1 Einleitung.................................... 107
6.2 Einige historische Bemerkungen:
Unterschiede zwischen Spektren des Kristalls
und des freien Moleküls............................. 108
6.3 Optische Anregungszustände im Kristall.................... 109
6.4 Davydov-Aufspaltung, Mini-Exciton...................... 116
6.5 Frenkel-Excitonen................................ 121
6.5.1 Excitonenzustände, Grandgleichungen................. 122
6.5.2 Polarisation und Bandstruktur..................... 124
6.5.3 Kohärenz................................ 128
6.6 Charge-Transfer (CT-) Excitonen........................ 131
Inhalt
IX
6.7 Oberflächen-Excitonen............................. 134
6.8 Excimere.................................... 135
6.9 Excitonenprozesse, Energieleitung....................... 137
6.9.1 Sensibilisierte Fluoreszenz....................... 138
6.9.2 Verzögerte Fluoreszenz durch Triplett-Excitonen........... 141
6.9.3 Excitonen-Prozesse........................... 144
6.10 Excitonenprozesse in anderen Systemen.................... 151
6.11 Ausblick..................................... 154
Literatur........................................ 154
7 Struktur und Dynamik von Triplett-Zuständen 157
7.1 Einleitung und historische Bemerkungen.................... 157
7.2 Die Quantisierung des Spins in Triplett-Zuständen............... 161
7.3 Dipol-Dipol-Wechselwirkung, Feinstruktur.................. 162
7.3.1 Nullfeld (fi0 = 0)............................ 163
7.3.2 Zeeman-Aufspaltung
(Бо
φ
0)..................... 168
7.3.3 Pulverspektren............................. 171
7.4 Mini-Excitonen................................. 173
7.5 Triplett-Excitonen................................ 179
7.5.1
Anthracen-
und Naphthalin-Kristalle: zweidimensionale
Triplett-Excitonen........................... 179
7.5.2 Dibromnaphthalin-Kristalle:
kohärente, eindimensionale Triplett-Excitonen............ 182
7.6 Optische Spin-Polarisation
(OEP)
....................... 184
7.7 Optische Kernspin-Polarisation (ONP)..................... 192
7.8 Ausblick..................................... 194
Literatur........................................ 194
8 Organische Halbleiter 197
8.1 Historische Vorbemerkungen.......................... 200
8.2 Leitfähigkeit und Beweglichkeit
von fast freien Ladungsträgern......................... 203
8.3 Ladungsträger in Organischen Halbleitern:
Polarenen,
Haftstellen, Fallen.......................... 208
8.4 Ladungsträgererzeugung und Ladungstransport: Experimentelle Methoden . . 213
8.4.1 TOF-Methode: Gaußscher Transport.................. 213
8.4.2 Photogeneration von Ladungsträgern ................. 218
8.4.2.1 Intrinsische Ladungsträger-Trennung............ 219
8.4.2.2 Extrinsische und bimolekulare Prozesse .......... 223
8.4.3 Kontakte, Injektion, Ejektion, Dunkelströme ............. 224
8.4.3.1 Vorbemerkungen und Definitionen............. 225
8.4.3.2 Kontakte........................... 226
8.4.3.3 Ladungsträgerinjektion - Injektionsbegrenzte Ströme . . . 230
8.4.3.4 Dotierung - Ohmsche Ströme................ 232
χ
Inhalt
8.4.4 Raumladungsbegrenzte Ströme .................... 234
8.5 Ladungsträger-Beweglichkeiten in organischen Molekülkristallen:
Experimentelle Ergebnisse
und
Bandstrukturen
............................... 242
8.5.1 Band- oder Hüpfleitfähigkeit?..................... 243
8.5.2 Temperaturabhängigkeit und Anisotropie der Beweglichkeiten .... 244
8.5.3 Feldstärke-Abhängigkeit........................ 247
8.5.4
Bandstrukturen
............................. 251
8.5.5 Ladungsträger-Fallen.......................... 256
8.6 Ladungstransport
in ungeordneten organischen Halbleitern.................... 258
8.6.1 Das Bässler Modell .......................... 261
8.6.2 Beweglichkeiten in hochgereinigten Schichten:
Temperatur-, Feldstärke- und Zeitabhängigkeiten........... 263
8.6.3 Binäre Systeme............................. 268
8.6.4 Diskotische Flüssigkristalle ...................... 269
8.6.5 Stationäre Dunkelströme........................ 271
8.6.5.1 Ausgewählte experimentelle Ergebnisse.......... 271
8.6.5.2 Theorie der raumladungsbegrenzten Ströme
in ungeordneten Schichten ................. 275
8.6.5.3 Analyse der ausgewählten experimentellen Ergebnisse . . . 279
Literatur........................................ 281
9 Organische Kristalle mit hoher Leitfähigkeit 285
9.1 Donator-Akzeptor-Systeme........................... 285
9.2 Starke CT-Komplexe, Radikalionensalze.................... 286
9.3 Das organische Metall TTF-TCNQ - Peierls-Übergang
-Ladungsdichtewellen............................. 292
9.4 Andere Radikalionensalze und CT-Komplexe................. 299
9.5 Radikalanionensalze des DCNQI........................ 301
9.6 Radikalkationensalze der
Arene
........................ 307
9.6.1
Gleichstromleitfáhigkeit........................
308
9.6.2 Röntgenstreuung............................ 311
9.6.3 Optisches Reflexionsspektrum..................... 311
9.6.4 Magnetische Suszeptibilität...................... 313
9.6.5 Spin-Resonanz der Leitungselektronen (ESR)............. 316
9.6.6 Ladungsdichtewellen-Transport.................... 320
Literatur........................................ 323
10 Organische Supraleiter 327
10.1 Einleitung.................................... 327
10.2 Weitgehend eindimensionale Ladungstransfer-Salze als Supraleiter,
Bechgaard-Salze ................................ 329
10.3 Quasi-zweidimensionale Ladungstransfer-Systeme als Supraleiter...... 332
10.4 Die Natur des supraleitenden Zustandes in organischen Salzen........ 335
Inhalt
XI
10.5 Dreidimensionale Supraleitung in Fullerenverbindungen ........... 337
Literatur........................................ 339
11 Elektrolumineszenz und Photovoltaik 341
11.1 Elektrolumineszenz: Organische Leuchtdioden (OLEDs)........... 342
11.1.1 Historische Bemerkungen....................... 342
11.1.2 Das OLED-Prinzip........................... 344
11.1.3 Mehrschicht-OLEDs.......................... 349
11.1.4 Elektrooptische Eigenschaften..................... 352
11.2 Photovoltaik: Organische photovoltaische Zellen ............... 356
11.2.1 Excitonen-Dissoziation......................... 357
11.2.2 Photovoltaische Kenngrößen...................... 359
11.2.3 CuPc/Ceo-Solarzellen ......................... 361
Literatur........................................ 365
12 Auf dem Wege zu einer Molekularen Elektronik 367
12.1 Was ist und was will Molekulare Elektronik? ................. 367
12.2 Moleküle als Schalter, Photochromie...................... 368
12.3 Molekulare Drähte............................... 371
12.4 Lichtinduzierte Phasenübergänge........................ 372
12.5 Molekulare Gleichrichter............................ 376
12.6 Molekulare Transistoren............................ 378
12.7 Molekulare Speicher.............................. 382
Literatur........................................ 384
Anhang Farbtafeln 387
Sachverzeichnis 391
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