The Effect of Imide Substituents on the Excited State Properties of Perylene Diimide Derivatives

Abstract

Solid state optical properties of fluorescent materials are important for many photonic devices such as organic light emitting diodes, frequency down-converters or luminescent solar concentrators. Perylene diimides (PDIs) represent one of the most popular organic semiconductors which find application in such photonic device applications. In this study, photophysical properties of two dibrominated PDI (DiBrPDIs), one of which contains a branched alkyl chain (2-ethylhexyl, 2-EH) and the other with an aromatic substituent (diisopropylphenyl, DIA) at the imide positions are comparatively studied. We report their absorption and photoluminescence, lifetime and photoluminescence quantum yield (PLQY), as well as photoinduced absorption properties (PIA) examined by fs-transient absorption spectroscopy. Having the same ? conjugated system, DiBrPDIDIA and DiBrPDI-2EH exhibited identical absorption and photoluminescence (PL) spectra in chloroform (?abs:527 nm and ?PL:552 nm). However, in film phase, DiBrPDI-DIA (?PL-DIA:596 nm; PLQY:73.4%) presented a shorter PL wavelength with a higher PLQY than that of DiBrPDI-2EH (?PL-2EH:649 nm; PLQY:36.7%). Bond lengths and core bending angles of PDI derivatives were calculated using Chem3D pro software. It was determined that the 2,6-diisopropylphenyl group in DiBrPDI(DIA) extends a distance of about 6.8 Å out from the imide positions, providing more effective steric protection from aggregation than the smaller 2EH group.

Fluoresant malzemelerin katı hal optik özellikleri organik ışık yayan diyotlar, frekans dönüştürücü veya ışıyan güneş yoğunlaştırıcıları gibi birçok optik ve elektronik fotonik aygıtlar için önemlidir. Perilen diimidler (PDIs) bu tür fotonik aygıt uygulamalarında yer bulan en popüler organik yarı iletkenlerden birini temsil etmektedir. Bu çalışmada, biri dallı alkil zinciri (2-etilheksil, 2-EH) diğeri aromatik (diizopropilfenil, DIA) yer değiştirebilen grup içeren iki dibromlu PDI'nin (DiBrPDIs) fotofiziksel özellikleri karşılaştırmalı olarak incelenmiştir. Biz bunların soğurma ve fotolüminesans (PL), yaşam ömürü ve fotolüminesans kuantum veriminin (PLQY) ile fs-geçici absorpsiyon spektroskopisiyle incelenen foto-indüklenmiş absorpsiyon özelliklerini (PIA) rapor ediyoruz. Aynı ? konjuge sistemine sahip olan DiBrPDI-DIA ve DiBrPDI-2EH, kloroformda (?abs:527 nm ve ?PL:552 nm) özdeş soğurma ve PL davranışlarına sahiptir. Ancak, aynı koşullarda hazırlanan filmlerde DiBrPDI-DIA (?PL-DIA:596 nm; PLQY:73.4%), DiBrPDI-2EH'den (?PL-2EH:649 nm; PLQY:36.7%) daha yüksek bir PLQY ile daha kısa dalgaboyunda bir PL spektruma sahiptir. Chem3D pro yazılımı kullanılarak PDI türevlerin bağ uzunlukları ve körfez bükülme açıları hesaplanmıştır. DiBrPDI(DIA)'daki 2,6-diizopropilfenil grubunun imid konumlarından yaklaşık 6.8 Å'lık bir mesafeyi uzattığı ve yığılmaya karşı daha küçük 2EH grubuna göre daha etkili sterik koruma sağladığı belirlenmiştir.