Multiferroicity in an organic charge-transfer salt that is suggestive of electric-dipole-driven magnetism

Multiferroics, showing simultaneous ordering of electrical and magnetic degrees of freedom, are remarkable materials as seen from both the academic and technological points of view. A prominent mechanism of multiferroicity is the spin-driven ferroelectricity, often found in frustrated antiferromagnets with helical spin order. There, as for conventional ferroelectrics, the electrical dipoles arise from an off-centre displacement of ions. However, recently a different mechanism, namely purely electronic ferroelectricity, where charge order breaks inversion symmetry, has attracted considerable interest. Here we provide evidence for ferroelectricity, accompanied by antiferromagnetic spin order, in a two-dimensional organic charge-transfer salt, thus representing a new class of multiferroics. We propose a charge-order-driven mechanism leading to electronic ferroelectricity in this material. Quite unexpectedly for electronic ferroelectrics, dipolar and spin order arise nearly simultaneously. This can be ascribed to the loss of spin frustration induced by the ferroelectric ordering. Hence, here the spin order is driven by the ferroelectricity, in marked contrast to the spin-driven ferroelectricity in helical magnets. © 2012 Macmillan Publishers Limited. All rights reserved.

Oxygen Atom Transfer Reactions from Mimoun Complexes to Sulfides and Sulfoxides. A Bonding Evolution Theory Analysis

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

A comparison of charge-transfer mechanisms at rotated disk electrode for biomimetic binuclear and tetranuclear oxo-manganese complex in aqueous solution

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

(18O,16O) Two-neutron transfer reactions for spectroscopic studies.

A systematic study of the response of different nuclei to the (18O, 16O) two-neutron transfer reaction at 84 MeV incident energy was pursued at the INFN-LNS in Catania (Italy). The experiments were performed using several solid targets from light (9Bc, 11 B, 12,13C, 16O, 28Si) to heavier ones (58,64Ni, 120Sn, 208Pb). The 16O ejectiles were detected at forward angles by the MAGNEX magnetic spectrometer and identified without the need of time of flight measurements. Exploiting the large momentum (≈ 25%) and angular (50 msr) acceptance of the spectrometer, energy spectra were obtained with a relevant yield up to about 20 MeV excitation energy. A common feature of the light nuclei spectra is the strong population of states with well known configuration of two-particle over a core and the appearance of unknown resonant structures in the continuum. These latter can reveal the excitation of a collective mode connected with the transfer of a pair. For the heavier nuclei as 66Ni a completely different behaviour is observed indicating the presence of more dissipative processes in the reaction mechanisms that hide the spectroscopic information.

Electron spectroscopy of novel charge transfer systems based on polycyclic aromatic hydrocarbons

Organische Ladungstransfersysteme weisen eine Vielfalt von konkurrierenden Wechselwirkungen zwischen Ladungs-, Spin- und Gitterfreiheitsgraden auf. Dies führt zu interessanten physikalischen Eigenschaften, wie metallische Leitfähigkeit, Supraleitung und Magnetismus. Diese Dissertation beschäftigt sich mit der elektronischen Struktur von organischen Ladungstransfersalzen aus drei Material-Familien. Dabei kamen unterschiedliche Photoemissions- und Röntgenspektroskopietechniken zum Einsatz. Die untersuchten Moleküle wurden z.T. im MPI für Polymerforschung synthetisiert. Sie stammen aus der Familie der Coronene (Donor Hexamethoxycoronen HMC und Akzeptor Coronen-hexaon COHON) und Pyrene (Donor Tetra- und Hexamethoxypyren TMP und HMP) im Komplex mit dem klassischen starken Akzeptor Tetracyanoquinodimethan (TCNQ). Als dritte Familie wurden Ladungstransfersalze der k-(BEDT-TTF)2X Familie (X ist ein monovalentes Anion) untersucht. Diese Materialien liegen nahe bei einem Bandbreite-kontrollierten Mottübergang im Phasendiagramm.rnFür Untersuchungen mittels Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (UPS) wurden UHV-deponierte dünne Filme erzeugt. Dabei kam ein neuer Doppelverdampfer zum Einsatz, welcher speziell für Milligramm-Materialmengen entwickelt wurde. Diese Methode wies im Ladungstransferkomplex im Vergleich mit der reinen Donor- und Akzeptorspezies energetische Verschiebungen von Valenzzuständen im Bereich weniger 100meV nach. Ein wichtiger Aspekt der UPS-Messungen lag im direkten Vergleich mit ab-initio Rechnungen.rnDas Problem der unvermeidbaren Oberflächenverunreinigungen von lösungsgezüchteten 3D-Kristallen wurde durch die Methode Hard-X-ray Photoelectron Spectroscopy (HAXPES) bei Photonenenergien um 6 keV (am Elektronenspeicherring PETRA III in Hamburg) überwunden. Die große mittlere freie Weglänge der Photoelektronen im Bereich von 15 nm resultiert in echter Volumensensitivität. Die ersten HAXPES Experimente an Ladungstransferkomplexen weltweit zeigten große chemische Verschiebungen (mehrere eV). In der Verbindung HMPx-TCNQy ist die N1s-Linie ein Fingerabdruck der Cyanogruppe im TCNQ und zeigt eine Aufspaltung und einen Shift zu höheren Bindungsenergien von bis zu 6 eV mit zunehmendem HMP-Gehalt. Umgekehrt ist die O1s-Linie ein Fingerabdruck der Methoxygruppe in HMP und zeigt eine markante Aufspaltung und eine Verschiebung zu geringeren Bindungsenergien (bis zu etwa 2,5eV chemischer Verschiebung), d.h. eine Größenordnung größer als die im Valenzbereich.rnAls weitere synchrotronstrahlungsbasierte Technik wurde Near-Edge-X-ray-Absorption Fine Structure (NEXAFS) Spektroskopie am Speicherring ANKA Karlsruhe intensiv genutzt. Die mittlere freie Weglänge der niederenergetischen Sekundärelektronen (um 5 nm). Starke Intensitätsvariationen von bestimmten Vorkanten-Resonanzen (als Signatur der unbesetzte Zustandsdichte) zeigen unmittelbar die Änderung der Besetzungszahlen der beteiligten Orbitale in der unmittelbaren Umgebung des angeregten Atoms. Damit war es möglich, präzise die Beteiligung spezifischer Orbitale im Ladungstransfermechanismus nachzuweisen. Im genannten Komplex wird Ladung von den Methoxy-Orbitalen 2e(Pi*) und 6a1(σ*) zu den Cyano-Orbitalen b3g und au(Pi*) und – in geringerem Maße – zum b1g und b2u(σ*) der Cyanogruppe transferiert. Zusätzlich treten kleine energetische Shifts mit unterschiedlichem Vorzeichen für die Donor- und Akzeptor-Resonanzen auf, vergleichbar mit den in UPS beobachteten Shifts.rn

Charge transport in organic photovoltaic cells

Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Ladungstransportes in organischen Solarzellen zu vertiefen. Mit Hilfe von Computersimulationen wird die Bewegung von Ladungsträgern in organischen Materialien rekonstruiert, und zwar ausgehend von den quantenmechanischen Prozessen auf mikroskopischer Ebene bis hin zur makroskopischen Skala, wo Ladungsträgermobilitäten quantifizierbar werden. Auf Grundlage dieses skalenübergreifenden Ansatzes werden Beziehungen zwischen der chemischen Struktur organischer Moleküle und der makroskopischen Mobilität hergestellt (Struktur-Eigenschafts-Beziehungen), die zu der Optimierung photovoltaischer Wirkungsgrade beitragen. Das Simulationsmodell beinhaltet folgende drei Schlüsselkomponenten. Erstens eine Morphologie, d. h. ein atomistisch aufgelöstes Modell der molekularen Anordnung in dem untersuchten Material. Zweitens ein Hüpfmodell des Ladungstransportes, das Ladungswanderung als eine Abfolge von Ladungstransferreaktionen zwischen einzelnen Molekülen beschreibt. Drittens ein nichtadiabatisches Modell des Ladungstransfers, das Übergangsraten durch drei Parameter ausdrückt: Reorganisationsenergien, Lageenergien und Transferintegrale. Die Ladungstransport-Simulationen richten sich auf die Materialklasse der dicyanovinyl-substituierten Oligothiophene und umfassen Morphologien von Einkristallen, Dünnschichten sowie amorphen/smektischen Mesophasen. Ein allgemeiner Befund ist, dass die molekulare Architektur, bestehend aus einer Akzeptor-Donor-Akzeptor-Sequenz und einem flexiblen Oligomergerüst, eine erhebliche Variation molekularer Dipolmomente und damit der Lageenergien bewirkt. Diese energetische Unordnung ist ungewöhnlich hoch in den Kristallen und umso höher in den Mesophasen. Für die Einkristalle wird beobachtet, dass Kristallstrukturen mit ausgeprägter π-Stapelung und entsprechend großer Transferintegrale zu verhältnismäßig niedrigen Mobilitäten führen. Dieses Verhalten wird zurückgeführt auf die Ausbildung bevorzugter Transportrichtungen, die anfällig für energetische Störungen sind. Für die Dünnschichten bestätigt sich diese Argumentation und liefert ein mikroskopisches Verständnis für experimentelle Mobilitäten. In der Tat korrelieren die Simulationsergebnisse sowohl mit gemessenen Mobilitäten als auch mit photovoltaischen Wirkungsgraden. Für die amorphen/smektischen Systeme steigt die energetische Unordnung mit der Oligomerlänge, sie führt aber auch zu einer unerwarteten Mobilitätsabnahme in dem stärker geordneten smektischen Zustand. Als Ursache dafür erweist sich, dass die smektische Schichtung der räumlichen Korrelation der energetischen Unordnung entgegensteht.

Double electron transfer reactions of CO22+ ions

Time-of-flight techniques have been used to measure fast neutral CO2 products from double electron transfer reactions of CO22+ ions with 4.0–7.0 keV impact energies. Double electron transfer cross sections have been determined to be in the range of (1.1–12.5) × 10−16 cm2 for reactions of CO22+ ions with CO2, CO, N2, Ar and O2.

2,3-Dichloro-1,4-hydroquinone 2,3-dichloro-1,4-benzoquinone monohydrate: a quinhydrone-type 1:1 donor-acceptor [D-A] charge-transfer complex

In the crystal structure of the title compound (systematic name: 2,3-dichlorobenzene-1,4-diol 2,3-dichlorocyclohexa-2,5-diene-1,4-dione monohydrate), C(6)H(4)Cl(2)O(2)center dot C(6)H(2)Cl(2)O(2)center dot H(2)O, the 2,3-dichloro-1,4-hydroquinone donor (D) and the 2,3-dichloro-1,4-benzoquinone acceptor (A) molecules form alternating stacks along [100]. Their molecular planes [maximum deviations for non-H atoms: 0.0133 (14) (D) and 0.0763 (14) angstrom (A)] are inclined to one another by 1.45 (3)degrees and are thus almost parallel. There are pi-pi interactions involving the D and A molecules, with centroid-centroid distances of 3.5043 (9) and 3.9548 (9) angstrom. Intermolecular O-H center dot center dot center dot O hydrogen bonds involving the water molecule and the hydroxy and ketone groups lead to the formation of two-dimensional networks lying parallel to (001). These networks are linked by C-H center dot center dot center dot O interactions, forming a three-dimensional structure.

Enhanced (1)G(4) emission in NaLaF4: Pr3+, Yb3+ and charge transfer in NaLaF4: Ce3+, Yb3+ studied by fourier transform luminescence spectroscopy

A high resolution luminescence study of NaLaF4: 1%Pr3+, 5%Yb3+ and NaLaF4: 1%Ce3+, 5%Yb3+ in the UV to NIR spectral range using a InGaAs detector and a fourier transform interferometer is reported. Although the Pr3+(P-3(0) -> (1)G(4), Yb3+(F-2(7/2) -> F-2(5/2)) energy transfer step takes place, significant Pr3+ (1)G(4) emission around 993, 1330 and 1850 nm is observed. No experimental proof for the second energy transfer step in the down-conversion process between Pr3+ and Yb3+ can be given. In the case of NaLaF4: Ce3+, Yb3+ it is concluded that the observed Yb3+ emission upon Ce3+ 5d excitation is the result of a charge transfer process instead of down-conversion. (C) 2010 Elsevier B.V. All rights reserved.