Computational characterization of carbazole-benzonitrile derivatives for applications in Organic Light Emitting Diodes

The technology of Organic Light-Emitting Diodes has reached such a high level of reliability that it can be used in various applications. The required light emission efficiency can be achieved by transforming the triplet excitons into singlet states through Reverse InterSystem Crossing (RISC), which is the main process of a general mechanism called thermally activated delayed fluorescence (TADF). In this thesis, we theoretically analyzed two carbazole-benzonitrile (donor-acceptor) derivatives, 2,5-di(9H-carbazol-9-yl)benzonitrile (p-2CzBN) and 2,3,4,5,6-penta(9H-carbazol-9-yl)benzonitrile (5CzBN), and addressed the problem of how donor-acceptor (D-A) or donor-acceptor-donor (D-A-D) flexible molecular architectures influence the nature of the excited states and the emission intensity. Furthermore, we analyzed the RISC rates as a function of the conformation of the carbazole lateral groups, considering the first electronic states, S0, S1, T1 and T2, involved in TADF process. The two prototype molecules, p-2CzBN and 5CzBN, have a similar energy gap between the first singlet and triplet states (∆EST, a key parameter in the RISC rate), but different TADF performances. Therefore, other parameters must be considered to explain their different behavior. The oscillator strength of p-2CzBN, never tested as emitter in OLEDs, is similar to that of 5CzBN, which is an active TADF molecule. We also note that the presence of a second T2 triplet state, lower in energy than S1 only in 5CzBN, and the reorganization energies, associated with RISC processes involving T1 and T2, are important factors in differentiating the rates in p-2CzBN and 5CzBN. For p-2CzBN, the RISC rate from T2 to S1 is surprisingly higher than that from T1 to S1, in disagreement with El-Sayed rules, due to a large reorganization energy associated to the T1 to S1, process; while the contrary occurs for 5CzBN. These insights are important for designing new TADF emitters based on the benzo-carbazole architecture.

Sintesi di complessi luminescenti anionici di Ir(III)

Negli ultimi anni si è osservato un crescente sviluppo della ricerca nel campo dei materiali luminescenti per le loro diverse applicazioni reali e potenziali, fra cui l’impiego in dispositivi elettroluminescenti, quali OLEDs (Organic Light-Emitting Diodes) e LECs (Light-Emitting Electrochemical Cells). In modo particolare, si rivolge grande attenzione ai complessi ciclometallati di Ir(III) grazie alle peculiari caratteristiche che li contraddistinguono fra i materiali luminescenti, come l'emissione fosforescente, alte rese quantiche di emissione, lunghi tempi di vita e buona stabilità nei dispositivi. Oltre a tali caratteristiche uno dei principali vantaggi presentati dai complessi di Ir(III) è la possibilità di modulare la lunghezza d'onda di emissione modificando la struttura dei leganti ciclometallanti e ancillari. Considerata la versatilità di questi sistemi e la loro conseguente rilevanza, diverse sono state le strategie applicate per l'ottenimento di complessi di Ir(III) generalmente neutri e cationici; al contrario pochi esempi di complessi di Ir(III) anionici sono attualmente riportati in letteratura. Lo scopo del mio lavoro di tesi è stato quindi quello di sintetizzare tre nuovi complessi anionici luminescenti di Ir(III) con tre diversi leganti ciclometallanti. Il piano di lavoro è stato suddiviso in stadi successivi, partendo dalla sintesi dei tre leganti ciclometallanti, impiegati poi nella preparazione dei dimeri di Ir(III) precursori dei miei complessi; infine facendo reagire questi ultimi con un legante ancillare bisanionico, derivato dal di(1H-tetrazol-5-il)metano, si è giunti all'ottenimento di tre complessi anionici luminescenti di Ir(III). Dopo questa prima parte, il lavoro di tesi è proseguito con la caratterizzazione spettroscopica dei tre complessi anionici e la determinazione delle loro proprietà fotofisiche tramite la registrazione di spettri di assorbimento, di emissione e la determinazione delle rese quantiche di emissione e dei tempi di vita. Infine si è preparato un “soft salt” costituito da un complesso anionico e uno cationico di Ir(III) le cui caratteristiche sono tutt'ora oggetto di studio del gruppo di ricerca presso il quale ho svolto il mio lavoro di tesi.

Excited state energy surfaces of flexible emitters for thermally activated delayed fluorescence

Organic Light-Emitting Diodes (OLEDs) technology has matured over recent years, reaching the commercialization level and being used in various applications. The required efficiency can be achieved by transforming triplet excitons into singlet states via Reverse InterSystem Crossing (RISC), which a general mechanism called thermally activated delayed fluorescence (TADF). Two prototypical molecules in the field, 2CzBN and 4CzBN, Carbazole Benzonitrile (donor-acceptor) derivatives, possess similar energy gap between singlet and triplet (∆EST, a key parameter in the RISC rate), but different TADF performance. In this sense, other parameter must be considered to explain these different behaviors. In this work, we theoretically investigate 2CzBN and 4CzBN and address the problem of how flexible donor-acceptor (D-A) or donor-acceptor-donor (D-A-D) molecular architectures affect the nature of excited state, and the oscillator strength. Furthermore, we analyze the RISC rates as a function of the conformation of the carbazole side groups, considering the S0, S1, T1 and T2 states. The oscillator strength of 4CzBN is higher than of 2CzBN, which, in turn, is almost vanishing, resulting in only 4CzBN being a TADF active molecule. We also note the presence of a second triplet state T2 lower in energy than S1, and that the reorganization energies, associated to the RISC processes involving T1 and T2, are both important factor in differentiating the rates in 2CzBN and 4CzBN. However, the 4CzBN RISC rate from T2 to S1 is surprisingly high with respect to the one from T1 to S1, although, according to EL-Sayed rules, since T2 (CT/LE) is more similar to S1 (CT) than in 2CzBN (LE, CT), this transition should be less favored. These insights are important to understand the photophysics of the TADF process and to design novel TADF emitters based on the benzo-carbazole architecture.

Studio di leds con diverse densita di dislocazioni tramite l'analisi del coefficiente di poole-frenkel

E' stato considerato un High-Dislocation Density Light Emitting Diode (HDD LED)ed è stato analizzato l'andamento di corrente a varie temperature. Dai risultati ottenuti è stato possibile ricavare il coefficiente di Poole-Frenkel, e da esso risalire alla densità di dislocazioni del dispositivo.

Morphology of leds by atomic force microscopy

The concern of this work is to present the characterization of blue emitting GaN-based LED structures by means of Atomic Force Microscopy. Here we show a comparison among the samples with different dislocation densities, in order to understand how the dislocations can affect the surface morphology. First of all we have described the current state of art of the LEDs in the present market. Thereafterwards we have mentioned in detail about the growth technique of LED structures and the methodology of the characterization employed in our thesis. Finally, we have presented the details of the results obtained on our samples studied, followed by discussions and conclusions. L'obiettivo di questa tesi é quello di presentare la caratterizzazione mediante Microscopia a Forza Atomica di strutture di LED a emissione di luce blu a base di nitruro di gallio (GaN). Viene presentato un confronto tra campioni con differente densità di dislocazioni, allo scopo di comprendere in che modo la presenza di dislocazioni influisce sulla morfologia della superficie. Innanzitutto, viene descritto il presente stato dell'arte dei LED. Successivamente, sono forniti i dettagli riguardanti la tecnica di crescita delle strutture dei LED e il metodo di caratterizzazione adottato. Infine, vengono mostrati e discussi i risultati ottenuti dallo studio dei campioni, seguiti dalle conclusioni.

Studio delle proprieta ottiche ed elettriche di dispositivi led a confinamento quantico

In questa tesi viene descritto il funzionamento delle sorgenti di luce LED (Light Emitting Diode) a confinamento quantico, che rappresentano la nuova frontiera dell'illuminazione ad alta efficienza e durata. Nei capitoli introduttivi è descritta brevemente la storia dei LEDs dalla loro invenzione agli sviluppi più recenti. Il funzionamento di tali dispositivi fotonici è spiegato a partire dal concetto di sorgente di luce per elettroluminescenza, con particolare riferimento alle eterostrutture a confinamento quantico bidimensionale (quantum wells). I capitoli centrali riguardano i nitruri dei gruppi III-V, le cui caratteristiche e proprietà hanno permesso di fabbricare LEDs ad alta efficienza e ampio spettro di emissione, soprattutto in relazione al fatto che i LEDs a nitruri dei gruppi III-V emettono luce anche in presenza di alte densità di difetti estesi, nello specifico dislocazioni. I capitoli successivi sono dedicati alla presentazione del lavoro sperimentale svolto, che riguarda la caratterizzazione elettrica, ottica e strutturale di LEDs a confinamento quantico basati su nitruri del gruppo III-V GaN e InGaN, cresciuti nei laboratori di Cambridge dal Center for Gallium Nitride. Lo studio ha come obiettivo finale il confronto dei risultati ottenuti su LEDs con la medesima struttura epitassiale, ma differente densità di dislocazioni, allo scopo di comprendere meglio il ruolo che tali difetti estesi ricoprono nella determinazione dell'effcienza delle sorgenti di luce LED. L’ultimo capitolo riguarda la diffrazione a raggi X dal punto di vista teorico, con particolare attenzione ai metodi di valutazioni dello strain reticolare nei wafer a nitruri, dal quale dipende la densità di dislocazioni.

Cluster carbonilici di platino contenenti fosfine

Nel corso di questa Tesi sono state studiate le reazioni di cluster carbonil anionici di Platino con fosfine. In particolare, sono state investigate nel dettaglio le reazioni dei cluster [Pt3n(CO)6n]2– (n = 3,4) e [Pt19(CO)22]n– (n = 3,4) con PPh3. Sono state poi preliminarmente studiate anche le reazioni di [Pt24(CO)30]2– e [Pt38(CO)44]2– con PPh3. Questo ha portato alla sintesi e alla completa caratterizzazione mediante diffrazione di raggi X su cristallo singolo delle specie [NBu4]2[Pt9(CO)16(PPh3)2] e [NBu4]x[Pt22(CO)22(PPh3)6]2•yCH3CN, contenenti gli anioni [Pt9(CO)16(PPh3)2]2– e [Pt22(CO)22(PPh3)6]2–. È stato inoltre preparato un nuovo composto tentativamente formulato come [Pt19(CO)20(PPh3)2]4–, sulla base dei dati IR, 31P NMR e ESI-MS. Questi rappresentano i primi esempi di cluster carbonilici anionici di Platino contenenti fosfine. Nel caso delle reazioni di [Pt24(CO)30]2– e [Pt38(CO)44]2– con PPh3 i prodotti sono stati caratterizzati al momento solo mediante spettroscopia IR, e quindi è molto difficile ipotizzare una loro struttura. I composti [Pt9(CO)16(PPh3)2]2– e [Pt19(CO)20(PPh3)2]4– sono stati investigati mediante spettroscopia 31P NMR in soluzione a temperatura variabile. Il primo mostra un unico segnale 31P NMR, in accordo con la struttura allo stato solido, mentre [Pt19(CO)20(PPh3)2]4– è risultato essere flussionale. È stato poi studiato nel dettaglio il comportamento fotochimico dei cluster [Pt3n(CO)6n]2– (n = 3-6) in funzione della concentrazione, confermando la loro natura di “Double emitting quantum dots”. Infine è stato preparato e caratterizzato strutturalmente il sale [DAMS]2[Pt9(CO)18]•dmf, contenente il catione [DAMS]+.

Multicelled Behaviour in E. coli: Design and experimental characterization of an engineered library of hybrid promoters.

Synthetic biology has recently had a great development, many papers have been published and many applications have been presented, spanning from the production of biopharmacheuticals to the synthesis of bioenergetic substrates or industrial catalysts. But, despite these advances, most of the applications are quite simple and don’t fully exploit the potential of this discipline. This limitation in complexity has many causes, like the incomplete characterization of some components, or the intrinsic variability of the biological systems, but one of the most important reasons is the incapability of the cell to sustain the additional metabolic burden introduced by a complex circuit. The objective of the project, of which this work is part, is trying to solve this problem through the engineering of a multicellular behaviour in prokaryotic cells. This system will introduce a cooperative behaviour that will allow to implement complex functionalities, that can’t be obtained with a single cell. In particular the goal is to implement the Leader Election, this procedure has been firstly devised in the field of distributed computing, to identify the process that allow to identify a single process as organizer and coordinator of a series of tasks assigned to the whole population. The election of the Leader greatly simplifies the computation providing a centralized control. Further- more this system may even be useful to evolutionary studies that aims to explain how complex organisms evolved from unicellular systems. The work presented here describes, in particular, the design and the experimental characterization of a component of the circuit that solves the Leader Election problem. This module, composed of an hybrid promoter and a gene, is activated in the non-leader cells after receiving the signal that a leader is present in the colony. The most important element, in this case, is the hybrid promoter, it has been realized in different versions, applying the heuristic rules stated in [22], and their activity has been experimentally tested. The objective of the experimental characterization was to test the response of the genetic circuit to the introduction, in the cellular environment, of particular molecules, inducers, that can be considered inputs of the system. The desired behaviour is similar to the one of a logic AND gate in which the exit, represented by the luminous signal produced by a fluorescent protein, is one only in presence of both inducers. The robustness and the stability of this behaviour have been tested by changing the concentration of the input signals and building dose response curves. From these data it is possible to conclude that the analysed constructs have an AND-like behaviour over a wide range of inducers’ concentrations, even if it is possible to identify many differences in the expression profiles of the different constructs. This variability accounts for the fact that the input and the output signals are continuous, and so their binary representation isn’t able to capture the complexity of the behaviour. The module of the circuit that has been considered in this analysis has a fundamental role in the realization of the intercellular communication system that is necessary for the cooperative behaviour to take place. For this reason, the second phase of the characterization has been focused on the analysis of the signal transmission. In particular, the interaction between this element and the one that is responsible for emitting the chemical signal has been tested. The desired behaviour is still similar to a logic AND, since, even in this case, the exit signal is determined by the hybrid promoter activity. The experimental results have demonstrated that the systems behave correctly, even if there is still a substantial variability between them. The dose response curves highlighted that stricter constrains on the inducers concentrations need to be imposed in order to obtain a clear separation between the two levels of expression. In the conclusive chapter the DNA sequences of the hybrid promoters are analysed, trying to identify the regulatory elements that are most important for the determination of the gene expression. Given the available data it wasn’t possible to draw definitive conclusions. In the end, few considerations on promoter engineering and complex circuits realization are presented. This section aims to briefly recall some of the problems outlined in the introduction and provide a few possible solutions.

Trasporto di carica in cristalli organici semiconduttori

Uno dei settori che più si stanno sviluppando nell'ambito della ricerca applicata è senza dubbio quello dell'elettronica organica. Nello specifico lo studio è sospinto dagli indubbi vantaggi che questi dispositivi porterebbero se venissero prodotti su larga scala: basso costo, semplicità realizzativa, leggerezza, flessibilità ed estensione. È da sottolineare che dispositivi basati su materiali organici sono già stati realizzati: si parla di OLED (Organic Light Emitting Diode) LED realizzati sfruttando le proprietà di elettroluminescenza di alcuni materiali organici, OFET (Organig Field Effect Transistor) transistor costruiti con semiconduttori organici, financo celle solari che sfruttano le buone proprietà ottiche di questi composti. Oggetto di analisi di questa tesi è lo studio delle proprietà di trasporto di alcuni cristalli organici, al fine di estrapolarne la mobilità intrinseca e verificare come essa cambi se sottoposti a radiazione x. I due cristalli su cui si è focalizzata questa trattazione sono il 1,5-Dinitronaphtalene e il 2,4-Dinitronaphtol; su di essi è stata eseguita una caratterizzazione ottica e una elettrica, in seguito interpretate con il modello SCLC (Space Charge Limited Current). I risultati ottenuti mostrano che c'è una differenza apprezzabile nella mobilità nei due casi con e senza irraggiamento con raggi x.

Inverse and regular phenyl-azole ligands for luminescent Iridium(III) complexes

In the modern society, light is mostly powered by electricity which lead to a significant increase of the global energy consumption. In order to reduce it, different kinds of electric lamps have been developed over the years; it is now accepted that phosphorescence-based OLEDs offer many advantages over existing light technologies. Iridium complexes are considered excellent candidates for bright materials by virtue of the possibility to easily tune the wavelength of the emitted radiation, by appropriate modifications of the nature of the ligands. It is important to note that the synthesis of Ir(III) blue-emitting complexes is a very challenging goal, because of wide HOMO-LUMO gaps needed for produce a deep blue emission. During my thesis I planned the synthesis of two different series of new Ir(III) heteroleptic complexes, the C and the N series, using cyclometalating ligands containing an increasing number of nitrogens in inverse and regular position. I successfully performed in the synthesis of the required four ligands, i.e. 1-methyl-4-phenyl-1H-imidazole (2), 4-phenyl-1-methyl-1,2,3-triazole (3), 1-phenyl-1H-1,2,3-triazole (6) and 1-phenyl-1H-tetrazole (7), that differ in the number of nitrogens present in the heterocyclic ring and in the position of the phenyl ring. Therefore the cyclometalation of the obtained ligands to get the corresponding Ir(III)-complexes was attempted. I succeeded in the synthesis of two Ir(III)-complexes of the C series, and I carried out various attempts to set up the appropriate reaction conditions to get the remaining desired derivatives. The work is still in progress, and once all the desired complexes will be synthesized and characterized, a correlation between their structure and their emitting properties could be formulated analysing and comparing the photophysical data of the real compounds.

Novel materials for direct X-ray detectors based on semiconducting organic polymers

Conventional inorganic materials for x-ray radiation sensors suffer from several drawbacks, including their inability to cover large curved areas, me- chanical sti ffness, lack of tissue-equivalence and toxicity. Semiconducting organic polymers represent an alternative and have been employed as di- rect photoconversion material in organic diodes. In contrast to inorganic detector materials, polymers allow low-cost and large area fabrication by sol- vent based methods. In addition their processing is compliant with fexible low-temperature substrates. Flexible and large-area detectors are needed for dosimetry in medical radiotherapy and security applications. The objective of my thesis is to achieve optimized organic polymer diodes for fexible, di- rect x-ray detectors. To this end polymer diodes based on two different semi- conducting polymers, polyvinylcarbazole (PVK) and poly(9,9-dioctyluorene) (PFO) have been fabricated. The diodes show state-of-the-art rectifying be- haviour and hole transport mobilities comparable to reference materials. In order to improve the X-ray stopping power, high-Z nanoparticle Bi2O3 or WO3 where added to realize a polymer-nanoparticle composite with opti- mized properities. X-ray detector characterization resulted in sensitivties of up to 14 uC/Gy/cm2 for PVK when diodes were operated in reverse. Addition of nanoparticles could further improve the performance and a maximum sensitivy of 19 uC/Gy/cm2 was obtained for the PFO diodes. Compared to the pure PFO diode this corresponds to a five-fold increase and thus highlights the potentiality of nanoparticles for polymer detector design. In- terestingly the pure polymer diodes showed an order of magnitude increase in sensitivity when operated in forward regime. The increase was attributed to a different detection mechanism based on the modulation of the diodes conductivity.