J. Phys. France 36, 399-409 (1975)
DOI: 10.1051/jphys:01975003605039900

Magnetic field modulation of triplet-induced delayed fluorescence and photoenhanced currents in crystalline pyrene

H. Bouchriha, M. Schott et J.L. Fave

Groupe de Physique des Solides de l'E.N.S. , Université Paris V, Tour 23, 2, place Jussieu, 75221 Paris Cedex 05, France

Abstract
The effects of magnetic fields (0-6 kG) on the delayed fluorescence and photoenhanced currents in crystalline pyrene at 300 K can be explained qualitatively using the theories already used for anthracene. It is found that the moving triplet exciton has the same zero-field fine structure as the monomer exciton. In delayed fluorescence, triplet pair formation is diffusion limited with no long range interaction (rate constant 2.7 x 10-10 cm3 s-1) and pair lifetime is of the order of one hopping time, or 10-10 s, with no evidence of pair stabilization. In the study of photocurrents, two magnetic field effects, of opposite sign, are found. If the current is space-charge limited, triplets alter the ratio of free charge to trapped charge ; and the magnetic field acts through modulation of the triplet-trapped charge interaction rate constant. The rate constant for pair formation (1.7 x 10 -9 cm3 s-1) is found to be much larger than diffusion limited for nearest neighbour interaction, and implies a distance for pair formation of several tens of Å. Yet reaction of the pair thus formed to generate a singlet occurs only in about 10 % of cases. If the current is injection limited, triplets enhance the injection ability of the electrode, and the magnetic field acts through modulation of the triplet lifetime (by interaction with trapped charges), hence of the triplet density near the surface and the triplet flux to the electrode.

Résumé
L'effet d'un champ magnétique (0-6 kG) sur la fluorescence retardée et les courants photoassistés dans le cristal de pyrène à 300 K s'explique qualitativement à l'aide des théories déjà développées pour l'anthracène. Le triplet mobile a la même structure fine en champ nul que l'exciton monomère. En fluorescence retardée, la formation d'une paire de triplets est limitée par la diffusion sans interaction au-delà des plus proches voisins (constante de vitesse 2,7 x 10-10 cm3 s-1) et la durée de vie de la paire est de l'ordre d'un temps de saut (environ 10-10 s) sans indice de stabilisation de la paire. Dans l'étude des photocourants, on trouve suivant les cas des effets de champ magnétique de signes opposés. Si le courant est limité par la charge d'espace, les triplets agissent sur le rapport charge libre/charge piégée, et le champ magnétique module l'interaction triplet-charge piégée et diminue le photocourant. La constante de vitesse pour la formation de la paire (1,7 x 10-9 cm3 s -1) est beaucoup plus grande que la valeur limitée par la diffusion sans interaction à distance, et implique une distance d'interaction de plusieurs dizaines d'Å. Pourtant, la réaction de la paire pour former un singulet n'a lieu que dans environ 10 % des cas. Si le courant est limité par l'injection, le champ magnétique module (augmente) la durée de vie du triplet, via son effet sur l'interaction triplet-charge piégée, et donc augmente la densité de triplets près de la surface, et le flux de triplets vers l'électrode.

PACS
7135 - Excitons and related phenomena.
7240 - Photoconduction and photovoltaic effects.
7855 - Photoluminescence, properties and materials.

Key words
excitons -- fluorescence -- luminescence of organic solids -- organic compounds -- photoconductivity