Excitons and Polarons in resonant Auger decay processes

Exzitonen und Polaronen in resonanten Auger Zerfällen

  • In the framework of this thesis synchrotron radiation spectroscopy is applied to study the electronic structure of organic semiconductors, of Graphene, and of transition metal (TM) oxide water splitting catalysts (Co-PI) with emphasis on excitonic and polaronic effects. For a correct theoretical description of the electronic structure of these material classes electron-phonon and electron-electron coupling as well as polarization and excitonic effects have to be considered. Excitons and Polarons are localized in-gap states. They are known to affect the optical properties of the material. Their influence can also be revealed in the resonant Auger decay profile. Even in TM-oxides Polarons and Excitons are observed as a consequence of an oxygen 2p to TM3d charge transfer. Therefor, the following three material classes are chosen for the fundamental study of Excitons and Polarons in resonant Auger decay processes. First, the existence of localized polaronic and excitonic states is investigated for regioregular-Poly(3In the framework of this thesis synchrotron radiation spectroscopy is applied to study the electronic structure of organic semiconductors, of Graphene, and of transition metal (TM) oxide water splitting catalysts (Co-PI) with emphasis on excitonic and polaronic effects. For a correct theoretical description of the electronic structure of these material classes electron-phonon and electron-electron coupling as well as polarization and excitonic effects have to be considered. Excitons and Polarons are localized in-gap states. They are known to affect the optical properties of the material. Their influence can also be revealed in the resonant Auger decay profile. Even in TM-oxides Polarons and Excitons are observed as a consequence of an oxygen 2p to TM3d charge transfer. Therefor, the following three material classes are chosen for the fundamental study of Excitons and Polarons in resonant Auger decay processes. First, the existence of localized polaronic and excitonic states is investigated for regioregular-Poly(3 hexylthiophene-2,5-diyl) (rr-P3HT) and Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) used as a light absorber in organic solar cells. The existence of 2D-Polarons, singlet Exciton, and triplet Exciton is demonstrated for rr-P3HT whereas for PCBM only singlet Excitons are observed. Singlet Excitons show an influence on the resonant Auger decay by a combined spectator-participator (S+P) Auger decay in the π*-band. Second, for a more detailed study of the (S+P) decay Highly Ordered Pyrolytic Graphite (HOPG) is chosen. For Graphene as a single layer of HOPG without van der Waals force another combination of Auger decays can be observed: a double spectator Auger (S+S) and a double spectator Auger-Gain (S+S)* decay. Third, Co-PI (cobalt oxide compound) is investigated. It is a TM-oxide catalyst used for the oxygen evolution reaction in photo-electrochemical cells. Self-trapped Excitons formed by resonant core electron excitation into self-trapped hole states give rise to a combined Auger decay process (S+P). For all three novel Auger decay processes {(S+P), (S+S), and (S+S)*} a model is proposed.show moreshow less
  • Im Rahmen dieser Arbeit wird die elektronische Struktur von organischen Halbleitern, Graphen und Übergangsmetall (TM)-Oxyden (Co-PI als Katalysator für die Wasserspaltung), unter Nutzung von Synchrotron-Strahlung basierter Spektroskopie, untersucht. Der Schwerpunkt liegt hierbei bei den exzitonischen und polaronischen Effekten. Für eine genaue Beschreibung der elektronischen Struktur dieser Materialien müssen auch Elektron-Phonon- und Elektron-Elektron-Wechselwirkungen, sowie Polarisation und exzitonische Effekte in Betracht gezogen werden. Von Exzitonen und Polaronen als lokalisierte Bandlückenzustände ist bekannt, dass diese die optischen Materialeigenschaften beeinflussen können. Dieser Einfluss kann im resonanten Auger Zerfall aufgedeckt werden. Sogar in TM-Oxyden können Polaronen und Exzitonen als Konsequenz von einem Sauerstoff 2p nach TM3d Ladungstransfer beobachtet werden. Hierfür sind die folgenden drei Materialklassen für die Untersuchungen des Einflusses von Exzitonen und Polaronen im resonanten Auger Zerfall ausgewähltIm Rahmen dieser Arbeit wird die elektronische Struktur von organischen Halbleitern, Graphen und Übergangsmetall (TM)-Oxyden (Co-PI als Katalysator für die Wasserspaltung), unter Nutzung von Synchrotron-Strahlung basierter Spektroskopie, untersucht. Der Schwerpunkt liegt hierbei bei den exzitonischen und polaronischen Effekten. Für eine genaue Beschreibung der elektronischen Struktur dieser Materialien müssen auch Elektron-Phonon- und Elektron-Elektron-Wechselwirkungen, sowie Polarisation und exzitonische Effekte in Betracht gezogen werden. Von Exzitonen und Polaronen als lokalisierte Bandlückenzustände ist bekannt, dass diese die optischen Materialeigenschaften beeinflussen können. Dieser Einfluss kann im resonanten Auger Zerfall aufgedeckt werden. Sogar in TM-Oxyden können Polaronen und Exzitonen als Konsequenz von einem Sauerstoff 2p nach TM3d Ladungstransfer beobachtet werden. Hierfür sind die folgenden drei Materialklassen für die Untersuchungen des Einflusses von Exzitonen und Polaronen im resonanten Auger Zerfall ausgewählt worden. Erstens wird die Existenz von lokalisierten polaronischen und exzitonischen Zuständen anhand von Poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (rr-P3HT) und Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) untersucht, welche als Lichtabsorber in organischen Solarzellen eingesetzt werden. Die Existenz von 2D-Polaronen, Singulett-Exzitonen und Triplett-Exzitonen wird für rr-P3HT belegt, wohingegen für PCBM nur Singulett-Exzitonen beobachtet werden. Singulett-Exzitonen zeigen ihren Einfluss auf den resonanten Auger Zerfall durch einen kombinierten Spectator-Participator (S+P) Auger Zerfall im π*-Band. Zweitens wird für eine ausführliche Diskussion der (S+P) Zerfälle hoch orientierter pyrolytischer Graphit (HOPG) untersucht. Für Graphen, als eine Monolage HOPG, in dem keine Van-der-Waals-Kräfte wirken, können weitere Kombinationen von Auger Zerfällen beobachtet werden: ein Doppel Spectator (S+S) und ein Doppel Spectator (S+S)* Auger-Gain Zerfall im π*-Band. Drittens wird Co-PI (Kobaltoxyd-Verbindung) untersucht. Es handelt sich hierbei um ein TM-Oxyd welches als Katalysator für die Sauerstoffentwicklung in photoelektrochemischen Zellen verwendet wird. Selbst lokalisierte Exzitonen werden durch resonante Anregung eines Rumpfelektrons in einem selbst lokalisierten Lochzustand erzeugt und ermöglichen dadurch einen kombinierten Auger Zerfall (S+P). Für jeden der neuartigen Auger Zerfallsprozesse {(S+P), (S+S) und (S+S)*} wird ein Zerfallsmodell vorgestellt.show moreshow less

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Metadaten
Author: Matthias Hermann Richter
URN:urn:nbn:de:kobv:co1-opus-29816
Referee / Advisor:Prof. Dr. rer. nat. habil. Dieter Schmeißer
Document Type:Doctoral thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Date of final exam:2014/01/24
Release Date:2014/02/11
Tag:Auger Zerfall; Exziton; Polaron
Auger decay; Exciton; Polaron; XAS; resPES
GND Keyword:Exziton; Polaron; Auger-Effekt
Institutes:Fakultät 1 MINT - Mathematik, Informatik, Physik, Elektro- und Informationstechnik / FG Angewandte Physik und Halbleiterspektroskopie
Institution name at the time of publication:Fakultät für Mathematik, Naturwissenschaften und Informatik (eBTU) / LS Angewandte Physik / Sensorik
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