Ultrafast dynamics in molecular aggregates and interfaces

Light-matter interaction in carbon based molecular systems can be considered one of the driving forces of the modern society through many ingenious applications. Yet, it remains one of the most intriguing and investigated subjects of material science, with the results creating deep impact on the development of cutting-edge electronic devices. The present thesis comprises of studies on the influence of the morphology, the intermolecular interactions and the composition on the generation of charges from neutral photoexcitations in organic semiconductors. The experimental work combines the standard ultrafast spectroscopic techniques with novel tools developed for the specific purpose of elucidating the models of charge photo-generation. The important components of the thesis are summarized below. 1. The mechanism of singlet fission in pentacene films is studied using field induced pump probe spectroscopy. The experimental results provide evidence of ultrafast dissociation of triplet states due to an external electric field. They also give crucial insights into the charge generation process in pentacene. 2. The ultrafast dynamics at the organic donor/acceptor interface are studied by performing transient absorption on ultra-thin bilayers of P3HT and PCBM. A novel technique TrAMP is developed to enable such a measurement. Our results show that the primary event after the photo-excitation at the interface is ultrafast energy transfer from P3HT to PCBM. A 100 ps hole transfer from PCBM results in the charge generation. 3. Charge injection dynamics at hybrid photo-voltaic interfaces is studied by ultrafast spectroscopic techniques. An ultrafast electron injection channel is discovered in black dye sensitized titania films, the principal component of a dye sensitized solar cell. The role of polymer morphology in the injection dynamics is studied at P3HT/metal-oxide interface.

L’interazione radiazione-materia nei sistemi molecolari a base di Carbonio può essere considerata come una delle forze motrici della società moderna, che si esplica attraverso differenti e ingegnose applicazioni. Ciononostante, essa rimane uno dei più intriganti oggetti di ricerca della scienza dei materiali, con risultati che ottengono un grande impatto sullo sviluppo di dispositivi elettronici all’avanguardia. Il presente lavoro di tesi comprende studi sull’influenza che morfologia, interazioni intermolecolari e composizione hanno sulla generazione di cariche a partire da fotoeccitazioni neutre in semiconduttori organici. Il lavoro sperimentale qui riportato combina tecniche standard di spettroscopia ultraveloce con nuovi metodi sviluppati allo scopo specifico di comprendere i modelli della foto-generazione di carica. Le principali parti in cui questa tesi si articola sono riassunte qui di seguito. 1. Il meccanismo della fissione di singoleto in film di pentacene viene studiato tramite l’applicazione di field-induced pump-probe. I risultati sperimentali dimostrano la dissociazione ultraveloce di stati di tripletto dovuta a un campo elettrico esterno. 2. Le dinamiche ultraveloci alle intercacce organiche donore/accettore sono studiate tramite transient-absorption su campioni ultrasottili a due strati di P3HT e PCBM. Una nuova tecnica è stata sviluppata per rendere possibili queste misure: è stata chiamata TRAMP. 3. Dinamiche di inizioni di carica alle interfacce fotovoltaiche ibride è stata studiata con tecniche di spettroscopia ultraveloce. E’ stato scoperto un canale ultraveloce di iniezione di cariche in film di ossido di titanio sensibilizzati con black dye, il componente principale di una dye sensitized cella solare. Il ruolo che la morfologia del polimero gioca nelle dinamiche di iniezione viene studiato alle interfacce organiche tra P3HT e ossido di metallo