Infrarotspektroskopie
Das Absorptionsspektrum von Molekülen und Festkörpern enthält eine Vielzahl von Informationen über deren Eigenschaften auf mikroskopischer Ebene. Während das Spektrum im ultravioletten und sichtbaren Bereich (UVvis) die elektronischen Eigenschaften widerspiegelt, erlaubt die Absorptionssignatur im Infraroten (IR) Rückschlusse auf Schwingungseigenschaften.
Das IR-Spektrum setzt sich aus Absorptionsbanden zusammen, welche spezifisch für einzelne molekulare Schwingungsmoden sind und erlaubt damit Rückschlüsse auf die chemische Struktur und deren Änderungen. Da auch elektronische Anregung zu strukturellen Änderungen führen kann – etwa beim Umschalten eines Photoschalters oder bei der Neuordnung der Struktur um eine elektronische Ladung – lassen sich auch solche Prozesse mit Hilfe von Infrarotspektroskopie beobachten.
Schwingungsrelaxation und strukturelle Änderungen auf molekularer Ebene spielen sich auf einer Zeitskala von Femto- bis Pikosekunden (10-15-10-12 s) ab. Anrege-Abfrage (Pump-Probe) Spektroskopie erlaubt es, diese Prozesse zeitlich aufzulösen. Dabei wird das zu untersuchende System zunächst durch einen kurzen Laserpuls in den elektronisch angeregten Zustand oder in den angeregten Schwingungszustand versetzt. Die dadurch induzierten Absorptionsänderungen werden dann mit einem zweiten, zeitlich versetzten Puls, abgefragt.
UVvis-Pump IR-Probe Spektroskopie
Ladungsträgerdynamik in Polymeren und Perovskiten
Perowskite und konjugierte Polymere sind zwei Materialgruppen auf deren Basis leicht und günstig zu verarbeitende, effiziente Solarzellen hergestellt werden können. Erzeugung, Diffusion und Rekombination von verschieden Ladungsträgerarten, wie Exzitonen und Polaronen, mit charakteristischen Zeiten im Femto- und Pikosekundenbereich können hier identifiziert und untersucht werden. Im infraroten Spektralbereich zeigen sich dabei sowohl breite elektronische Signale, wie die Absorption durch freie Ladungsträger oder durch Polaronen, wie auch scharfe Absorptionssignaturen, die sich spezifischen molekularen Schwingungsmoden zuordnen lassen. Solche infrarot-aktivierte Moden (IRAVs, von engl.: infrared activated vibrations), die sich in Gegenwart einer elektrischen Ladung ausbilden, können hier als empfindliche Indikatormoden für die Dynamik verschiedener Arten von Ladungsträgern dienen.
Publikationen:
- K. Stallhofer, M. Nuber, R. Kienberger, V. Körstgens, P. Müller-Buschbaum & H. Iglev: "Dynamics of Short-Lived Polaron Pairs and Polarons in Polythiophene Derivatives Observed via Infrared-Activated Vibrations", Journal of Physical Chemistry C, 123, 46, 28100-28105
- K. Stallhofer, M. Nuber, D. Cortecchia, A. Bruno, R. Kienberger, F. Deschler, C. Soci & H. Iglev: "Picosecond Charge Localization Dynamics in CH3NH3PbI3 Perovskite Probed by Infrared-Activated Vibrations", The Journal of Physical Chemistry Letters 2021 12 (18), 4428-4433
- M. Nuber, D. Sandner, T. Neumann, R. Kienberger, F. Deschler & H. Iglev: "Bimolecular Generation of Excitonic Luminescence from Dark Photoexcitations in Ruddlesden–Popper Hybrid Metal-Halide Perovskites", The Journal of Physical Chemistry Letters 2021 12 (42), 10450-10456
- M. Nuber, L. V. Spanier, S. Roth, G. N. Vayssilov, R. Kienberger, P. Müller-Buschbaum & H. Iglev: "Picosecond Charge-Transfer-State Dynamics in Wide Band Gap Polymer–Non-Fullerene Small-Molecule Blend Films Investigated via Transient Infrared Spectroscopy", J. Phys. Chem. Lett. 2022, 13, 44, 10418–10423
- M. Nuber, Q. Y. Tang, D. Sandner, J. Yin, R. Kienberger, C. Soci & H. Iglev : "Accelerated polaron formation in perovskite quantum dots monitored via picosecond infrared spectroscopy", J. Mater. Chem. C, 2023,11, 3581-3587
Schwingungsrelaxation und Schaltprozesse in Molekülen
Die Relaxation von Schwingungen und die direkte Beobachtung der zeitlichen Dynamik von strukturellen Änderungen sind klassische Aufgaben der Molekülspektroskopie. Ein Beispiel hierfür ist die Untersuchung von lichtinduzierten Schaltprozessen auf der Pikosekundenzeitskala oder die Beobachtung des Ladungstransfers bei der Photokatalyse.
Publikationen:
- K. Stallhofer, M. Nuber, F. Schüppel, S. Thumser, H. Iglev, R. de Vivie-Riedle, W. Zinth, H. Dube: "Electronic and Geometric Characterization of TICT Formation in Hemithioindigo Photoswitches by Picosecond Infrared Spectroscopy" J. Phys. Chem. A 2021, 125, 20, 4390–4400
IR-Pump IR-Probe Spektroskopie an Eis und Hydratmodellen
Die makroskopischen Eigenschaften von Wasser und Eis werden im Wesentlichen durch das zugrundeliegende Netzwerk von Wasserstoffbrückenbindungen bestimmt, das eine Vielzahl von verschiedenen Bindungsmotiven aufweist. Salzhydrate, in deren Kristallstruktur Wassermoleküle und -cluster eingebettet sind, stellen wohldefinierte Modellsysteme dar, anhand derer sich die mikroskopische Struktur von Wasser und deren Dynamik erforschen lassen.
Publikationen:
- D. Hutzler, K. Stallhofer, R. Kienberger, E. Riedle & H. Iglev: "Icelike Vibrational Properties of Strong Hydrogen Bonds in Hydrated Lithium Nitrate" J. Phys. Chem. A 2020, 124, 28, 5784–5789 (2020)
- D. Hutzler, Ch. Brunner, P. Petkov, T. Heine, S. Fischer, E. Riedle, R. Kienberger & H. Iglev:„Dynamics of the OH stretching mode in crystalline Ba(ClO4)2·3H2O “, J. Chem. Phys. 148, 054307 (2018)
- “Highly Selective Relaxation of the OH Stretching Overtones in Isolated HDO Molecules Observed by Infrared Pump-Repump-Probe Spectroscopy”, Journal of Physical Chemistry 119, Issue 26, 6831-6836 (2015)
- "A novel setup for femtosecond pump-repump-probe IR spectroscopy with few cycle CEP stable pulses," Opt. Express 21, 20145-20158 (2013)
- “Dynamics of weak, bifurcated and strong hydrogen bonds in lithium nitrate trihydrate”, J. Phys. Chem. Lett. 2, 1633–1638 (2011)