Triplet Exciton Transport in Porphyrin-Based Surface-Anchored Metal-Organic Framework Thin Films

Aufstrebende Technologien wie organische Leuchtdioden oder organische Photovoltaik sind angewiesen auf den effizienten Transport von angeregten elektrischen Zuständen, wie beispielsweise Exzitonen. In Pflanzen basiert Exzitontransport auf geordneten Arrangements von Porphyrin-Molekülen. Dieses Konzept kann künstlich angewandt werden, indem solche Moleküle mittels eines metall-organischen Gerüsts (metal-organic framework, MOF) angeordnet werden, was entweder als MOF-Pulver oder in Form eines dünnen Films (surface-anchored metal-organic framework, SURMOF) möglich ist.

... mehrIn dieser Arbeit werden SURMOF-Dünnschicht-Filme untersucht, in welchen Palladium-Porphyrin-Verbindungsmoleküle (PdP) sich zu dicht gepackten Ebenen anordnen. Diese PdP-SURMOF-Filme weisen ein hohes Maß an innerer Ordnung auf und sind dabei einfach aus Lösungen herstellbar.

Diese Arbeit zeigt, dass der Transport von Triplett-Exzitonen innerhalb von PdP-SURMOF-Filmen tatsächlich effizient ist. Sprung-Raten zwischen benachbarten Molekülen auf der Größenordnung von $10^{11}\,\text{s}^{-1}$ können ermittelt werden. Zusammen mit der langen mono-molekularen Lebensdauer der Tripletts ermöglicht dies Diffusionslängen von mehreren Mikrometern. Der Exzitonen-Transport ist dabei stark anisotrop, da eindimensionale Diffusion zwischen benachbarten Porphyrin-Ebenen bevorzugt stattfindet.

Weitere Experimente untersuchen den negativen Einfluss sowohl von anhaltender Beleuchtung als auch der Film-Morphologie auf die Transporteigenschaften des Materials. Insgesamt liefert diese Arbeit wichtige Erkenntnisse, die für den zukünftigen Einsatz von PdP-SURMOF-Filmen als Materialien für langreichweitigen Exzitonen-Transport von Bedeutung sind.

Efficient transport of excited states such as excitons is an important ingredient in rising technologies such as organic light-emitting diodes or organic photovoltaics. Exciton transport in plants relies on ordered arrays of porphyrin molecules. This concept can be mimicked synthetically by arranging porphyrin molecules in a metal-organic framework (MOF) powder or a surface-anchored MOF (SURMOF) thin film.

This work investigates palladium-porphyrin (PdP) SURMOF samples prepared as thin films (200nm thick) in which the PdP linkers assemble into closely spaced sheets. These PdP SURMOF films possess a high degree of internal order and are at the same time easily deposited from solution.
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Triplet exciton transport inside PdP SURMOF is indeed found to be efficient, with exciton hopping rates on the order of $10^{11}\,\text{s}^{-1}$. In combination with the long monomolecular triplet lifetime, diffusion lengths of several micrometers are possible. Exciton transport is established to be strongly anisotropic, favoring 1D triplet transport between adjacent porphyrin sheets.

Additional experiments investigate the negative impact of prolonged light exposure as well as the film morphology on the material's transport properties. Overall, this work yields important insights relevant for future application of PdP SURMOF films as long-range exciton transport materials.