Universität zu Köln

Pankert, Elisabeth (2025). Excited State Dynamics of Emissive Organic Materials: Singlet-Triplet Transitions and OLED Device Integration. PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

The development of organic light-emitting diodes (OLEDs) has revolutionized display technology, driven by their high efficiency, flexibility, and superior color quality. A critical challenge in OLED technology is the efficient utilization of triplet excitons, which make up 75% of the excitons generated during charge recombination. Traditional fluorescent OLEDs harness only singlet excitons, limiting their internal quantum efficiency (IQE) to 25%. The introduction of phosphorescent OLEDs, utilizing heavy-metal complexes, e.g. containing iridium, overcame this limitation by enabling triplet exciton emission through strong spin-orbit coupling, achieving near 100% IQE. However, the high cost and limited availability of heavy metals have driven research into alternative mechanisms, including thermally activated delayed fluorescence (TADF) and hybridized locally and charge-transfer (HLCT) excitons that can undergo reverse intersystem crossing (rISC) from higher lying triplet states. This thesis investigates a range of organic photoluminescent molecules, focusing on their underlying photophysical mechanisms and integration into OLEDs. A combination of steady-state and time-resolved spectroscopy across varying temperatures is employed to analyze these materials. In the first part a donor-acceptor (D-A) molecules with HLCT character is studied, achieving high photoluminescence quantum yield (PLQY) and the emitter is successfully implemented in an OLED. By studying the excited states in varying environment, the relaxation behavior of the compound is unraveled. The second part covers the systematic investigation of D-A molecules incorporating an N-phenyl-phthalimide acceptor with varying carbazole-based donors. The effects of donor modifications on the photophysics, particularly TADF behavior, are explored, emphasizing the interplay between molecular structure and TADF efficiency in OLEDs. Part three offers the exploration of a fluorinated acridone derivative demonstrating rISC from the T2 to the S1 state. A concept was developed to apply the mechanism in an OLED, showing promising potential for successful implementation. In the fourth part investigations into a D-A TADF emitter with chiral substituent are presented for potential application in a circularly polarised OLED (CP-OLED). By systematically correlating molecular photophysics with OLED device performance, this work highlights the potential of TADF and related mechanisms as sustainable, cost-effective alternatives to phosphorescent emitters. These

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated abstract:	Abstract Language Die Entwicklung von organischen Leuchtdioden (OLEDs) hat die Displaytechnologie revolutioniert, angetrieben durch ihre hohe Effizienz, Flexibilitat und überlegene Farbwiedergabe. Eine zentrale Herausforderung in der OLED-Technologie ist die effiziente Nutzung von Triplett-Exzitonen, die 75% der Exzitonen ausmachen, die während der Ladungsrekombination erzeugt werden. Traditionelle fluoreszierende OLEDs nutzen nur Singulett- Exzitone, wodurch ihre interne Quanteneffizienz (IQE) auf 25% begrenzt ist. Die Einführung von phosphoreszierenden OLEDs, die Metallkomplexe z.B. auf Iridium Basis verwenden, überwanden diese Einschränkung, indem sie durch starke Spin-Bahn-Kopplung die Emission von Triplett-Exzitonen ermöglichten und eine nahezu 100% IQE erreichten. Allerdings haben die hohen Kosten und die begrenzte Verfügbarkeit von Schwermetallen die Forschung nach alternativen Mechanismen vorangetrieben, darunter thermisch aktivierte verzögerte Fluoreszenz (TADF) und hybridisierte lokal angeregte und Ladungstransfer (HLCT) Exzitonen, die durch reverse intersystem crossing (rISC) von höher liegenden Triplett-Zuständen übergehen können. Diese Arbeit untersucht eine Reihe von organischen photolumineszenten Molekülen und konzentriert sich auf ihre zugrunde liegenden photophysikalischen Mechanismen und ihre Integration in OLEDs. Eine Kombination aus stationärer und zeitaufgelöster Spektroskopie über verschiedene Temperaturen hinweg wird verwendet, um diese Materialien zu analysieren. Im ersten Teil wird ein Donor-Akzeptor Molekül (D-A) mit HLCT-Charakter untersucht, das eine hohe Quantenausbeute der Photolumineszenz (PLQY) erreicht und erfolgreich in eine OLED integriert wird. Durch die Untersuchung der angeregten Zustände in verschiedenen Umgebungen wird das Relaxationsverhalten der Verbindung aufgedeckt. Der zweite Teil behandelt die systematische Untersuchung von D-A-Molekülen, die einen N-phenyl-phthalimid-Akzeptor mit unterschiedlichen carbazolbasierten Donoren kombinieren. Die Auswirkungen von Donormodifikationen auf die Photophysik, insbesondere das TADF-Verhalten, werden untersucht, wobei das Zusammenspiel zwischen molekularer Struktur und TADF-Effizienz in OLEDs im Vordergrund steht. Teil drei bietet die Untersuchung eines fluorierten Acridon-Derivats, das rISC vom T2-Zustand zum S1-Zustand zeigt. Ein Konzept wurde entwickelt, um diesen Mechanismus in einer OLED anzuwenden, was vielversprechendes Potenzial für eine erfolgreiche Implementierung zeigt. Im vierten Teil werden Untersuchungen zu einem D-A TADF-Emitter mit chiralen Substituenten für eine potenzielle Anwendung in einer CP-OLED vorgestellt. Durch die systematische Korrelation der molekularen Photophysik mit der OLED Effizienz hebt diese Arbeit das Potenzial von TADF und verwandten Mechanismen als nachhaltige, kostengünstige Alternativen zu phosphoreszierenden Emittern hervor. Diese Ergebnisse tragen zu den Designprinzipien der nächsten Generation von OLED-Technologien bei. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Pankert, Elisabeth UNSPECIFIED UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-786911
Date:	2025
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Chemistry > Institute of Physical Chemistry
Subjects:	Chemistry and allied sciences
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language OLED English Light Emission English Organic Emitter English
Date of oral exam:	21 March 2025
Referee:	Name Academic Title Meerholz, Klaus Prof. Dr. Griesbeck, Axel Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/78691