Study of spontaneous and photoinduced processes in molecular solids using high-resolution optical spectroscopy

Abstract

Spontaansete ja fotoindutseeritud protsesside uurimine molekulaartahkistes kõrgselektiivse optilise lisandispektroskoopia meetoditega

Käesolev väitekiri koondab endas bifenüüli madalatemperatuursete ühismõõduta faaside lisandispektroskoopilisi uuringuid, kus lisandimolekule on kasutatud kui optilisi sonde, mille spektraalsed omadused võivad tugevasti sõltuda lisandi lähiümbrusest. Optiliseks sondiks on kasutatud terrüleeni molekule, mille kiirgusomadused lubavad seda kromofoori kasutada väga erinevateks spektroskoopilisteks uuringuteks, sealhulgas ka ühe molekuli spektroskoopia tehnikaid kasutades. Töö esimeses osas on uuritud bifenüüli ühismõõduta struktuuri mõju lisanditsentri mittehomogeensetele fotoluminestsentsi spektritele. Teises osas on kasutatud kõrgselektiivseid spektroskoopia meetodeid: spektraalsälkamist ja ühe molekuli spektroskoopiat, eesmärgiga uurida lokaalse dünaamika mõju lisanditsentri elektronsiirde defaseerumisele. Leiti, et terrüleeni homogeensed joonelaiused temperatuuril 1.8 K ületavad tunduvalt eluealisi laiusi ning joonelaiuste jaotuse standardhälve ja keskväärtuse suhe bifenüülis on oluliselt erinev võrreldes polümeerides saadud väärtustega. Need tulemused näitavad et joonte laienemine bifenüülis ei ole kirjeldatav amorfsete süsteemide puhul kasutatud kahenivooliste süsteemide mudeliga. Töö kolmandas osas realiseeriti metoodika üksikmolekulide kiirguspiltide visualiseerimiseks toatemperatuuril ja jälgiti üksikmolekulide foto­lagunemist ning ruumilist difusiooni bifenüüli kristallis.

Study of spontaneous and photoinduced processes in molecular solids using high-resolution optical spectroscopy

This PhD thesis comprises experimental studies of incommensurate biphenyl using various techniques of molecular probe spectroscopy. Terrylene impurity molecules were used as optical probes with spectral behaviour depending on their local environment. In the first part inhomogeneous photoluminescence spectra of terrylene molecular impurities were studied to investigate the static interaction of the probe molecules with the incommensurate host structure. In the second part the dephasing of the electronic transition of the impurity molecules by local dynamic interactions was investigated using the hole-burning and single-molecule spectroscopy. Our studies at 1.8 K indicate that the terrylene single-molecule lines are much broader than if they would have the lifetime-limited width. The statistical distribution of single-molecule linewidths indicates that the ratio of the standard deviation to the mean value is significantly different from the values observed in glassy polymers. These results indicate inconsistency with the standard model of two-level systems elaborated for amorphous solids. An additional broadening of the single-molecule lines may be caused by interaction of the probe molecules with specific excitations of the incommensurate structure. In the last part the design and application of our experimental setup for single-molecule fluorescence imaging are described. The photostability and spatial diffusion of single terrylene molecules in biphenyl monocrystals at room temperature was investigated.