Interface dipole formation in organic surface functionalizations : tailoring metal contacts for organic optoelectronic devices

  • Grenzflächendipol-Entstehung in organischen Oberflächefunktionaliesierungen : maßgeschneiderte Metallkontakte für organische optoelektronische Bauelemente

Schulz, Adewole Philip; Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2013)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2012

Kurzfassung

Die vorliegende Studie zeigt einen klaren Pfad zur erfolgreichen Konstruktion von Metal-Organik Kontakten in organischer Elektronik auf. Zu diesem Zweck werden thiol-basierte selbst-arrangierte Monolagen (SAM) mit einer dezidierten Auswahl experimenteller Methoden (Photoelekronenspektroskopie, Fourier-Transform Infrarot Spektroskopie) untersucht. Diese Analyse benötigt eine maßgeschneiderte Infrastruktur in Form von Ultrahoch-Vakuum Systemen. Neben den am National Institute of Standards and Technology (NIST) in Gaithersburg, MD, USA durchgeführten Arbeiten wurde im Zuge dieses Forschungsvorhabens ein neues System am I. physikalischen Institut (IA) der RWTH Aachen installiert. Die Interpretation der Ergebnisse erfolgte über Berechnungen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie. Insbesondere die Modellierung der Grenzschicht führt zu einer komparativen experimentellen und theoretischen Studie. Gemäß der eingangs geschilderten Aufgabe der Konstruktion auf molekulare Skala wird im ersten Ergebnisteil dieser Arbeit die Kopplung zwischen Goldoberflächen und Thiolat- sowie Dithioat-Gruppen beschrieben. Konkret wird die SAM Bildung von Benzylmercaptan (BM) und Dithiobenzoesäure verglichen. Beide Moleküle haben das Grundgerüst einer Phenylgruppe gemein, unterscheiden sich jedoch in der bindenden Endgruppe. Das einzelne Schwefelatom in BM wird durch eine Doppel-Schwefelgruppe, von der eine resonante Bindung zum Goldsubstrat erwartet wird, in DTBA ersetzt. Zunächst wird die elektronische Struktur des SAM charakterisiert. Der Schwerpunkt der Diskussion liegt hierbei vor allem auf der elektronische Veränderung der ersten besetzen und unbesetzten Molekülorbitale sowie der Austrittsarbeit. Im darauffolgenden Schritt werden beide Moleküle jeweils als Elektroden-Funktionalisierung in Pentacene-basierten Feldeffekt Transistoren eingesetzt. Die Leistungskennlinien sowie die Eignung der Transistoren für ambipolaren Tranport werden mit den Werten für unmodifizierte Transistoren verglichen. Hierbei werden deutliche Unterschiede in der elektronischen Struktur der beiden SAM Systeme gefunden. Schließlich wird die Frage, ob die Carbodithioat-Endgruppe zur neuen Referenz für die Verbesserung von ambipolaren Transporteigenschaften in organischen elektronischen Bauelementen herangezogen werden kann, beantwortet. Im zweiten Ergebnisteil werden die Ergebnisse zur Dithioat-Kopplungsgruppe wieder aufgenommen. Dithiocarbamate (DTC) stellen im Kontext der Metalloberflächenfunktionalisierung eine neuartige Klasse von Molekülen dar. In einem Ansatz die resonanten Bindungseigenschaften der Carbodithioate und die hohe Polarität einer C-N Bindung sowie die Robustheit dieser Chelatbildner zu verbinden, wird im ersten Schritt die Ausbildung von SAMs der entsprechenden Verbindungen auf Edelmetalloberflächen angestrebt. Zweitens wird die charakteristische Energieniveau-Anpassung der DTC SAMs auf Gold bestimmt. Hierbei wurde der Rekordwert einer Austrittsarbeitsreduktion um 3.2 eV entdeckt und durch eine Analyse des Oberflächenpotentials im Rahmen der DFT erklärt. Schließlich werden in einem dritten Schritt mit dem Ausblick auf eine signifikant erhöhte Elektroneninjektion in n-dotierte organische Halbleiter die Auswirkungen auf PTCDI-C13 Dünnschicht Transistoren untersucht. Die Leistung dieser OTFTs wird unmittelbar zwischen DTC bedeckten und unbeschichteten Elektroden verglichen. Zusammenfassend konnten in dieser Studie DTC Monolagen als effiziente Kopplungsschicht an der Grenzfläche zwischen Metall und n-dotiertem organischen Halbleiter identifiziert werden.

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