Surface functionalization with amino based self-assembled monolayers : tailoring electrode/molecule interfaces for organic electronics

• Oberflächenfunktionalisierung mit Amino-basierten Monolagen für die Anwendung in organischer Elektronik

Meyer, Dominik; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Mazzarello, Riccardo (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2015)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Kurzfassung

Kontrolle über die energetischen Prozesse an Grenzflächen ist einer der zentralen Schritte zur Effizienzsteigerung von Licht-emittierenden und -absorbierenden Bauelementen zur Energieerzeugung auf Basis der organischen Materialklasse. In diesem Kontext gliedert sich die vorliegende Arbeit in das Gebiet der organischen Elektronik ein mit besonderem Fokus auf die Elektrode/Halbleiter Grenzfläche. Effiziente Injektion und Extraktion von Elektronen ist heutzutage immer noch ein kritischer Mechanismus, welcher optimiert werden muss. Der Transport von Elektronen durch diese Grenzfläche wird durch die energetische Injektionsbarriere Delta_e dominiert. Um die Kontrolle über diese Barriere zu gewinnen, wurden polare Moleküle in dieser Arbeit verwendet, die eine gezielte Anpassung der Austrittsarbeit der Elektrode erlauben. Dabei wurden drei zentrale Themen behandelt: (i) Verständnis der chemischen und elektronischen Grenzfläche von N,N-dialkyl Dithiocarbamaten (CnDTC) auf den Edelmetallen Au, Ag und Cu. (ii) Einstellung der Austrittsarbeit mittels maßgeschneiderten Dithiocarbamaten. (iii) Vorstellung von ersten Ergebnissen zur Generation von niedrigen Austrittsarbeiten von transparentem, leitfähigem Indium Zinn Oxid (ITO) auf Basis einer modifizierten chemischen Struktur des DTC. Um diese Systeme zu studieren, wurde eine Kombination von Photoelektronenspektroskopie (XPS/UPS) mit Simulationsrechnungen basierend auf Dichtefunktionaltheorie (DFT) verwendet. Ladungstransport in elektronischen Bauelementen wurde anhand organischer Dünnschichttransistoren untersucht, welche mit dem n-typ Material PTCDI-C13betrieben wurden. (i) Vor Anfertigung dieser Arbeit wurde von unserer Forschungsgruppe berichtet, dass die Klasse der Dithiocarbamate (DTC) sehr niedrige Austrittsarbeiten von Gold bis zu 3.2 eV produzieren. Diese Ergebnisse markieren den Startpunkt für diese Arbeit. Die Bindung von N,N-dialkyl Dithiocarbamaten auf den drei Edelmetallen Au, Ag und Cu wurde mittels XPS untersucht. Dabei wurden dicht gepackte Monolagen auf Au und Ag identifiziert, während eine ungeordnete Lage auf Cu beobachtet wird. Trotzdem wird eine identische Austrittsarbeit von 3.5 eV für CnDTC mit n >= 4 auf allen Metallen mit UPS beobachtet. Nur Moleküle mit den kürzesten Alkylketten, d.h. n = {1,2}, ermöglichen Werte von 3.2 eV auf Au und Ag. Die finale Austrittsarbeit der modifizierten Metalle resultiert von einem komplexen Zusammenspiel von molekularer Anordnung (Bedeckungsdichte, Orientierung), Grenzflächendipol und Angleichung der Energielevel an der Grenzfläche. Ein detaillierter Vergleich des C2DTC als Modellsystem auf den drei Metallen ermöglicht einen tieferen Einblick in die chemische und elektronische Struktur. Basierend auf experimentellen und theoretischen Ergebnissen kann eine gleiche Hybridisierung des molekularen S 3p Orbitals mit denen der energetisch höchstbesetzten, metallischen d-Bänder identifiziert werden. Dies resultiert in einem Metall/Molekül Grenzflächenzustand, welcher unabhängig von der ursprünglichen Austrittsarbeit des Metalls ist.(ii) Ein neuer Satz von Dithiocarbamaten wird vorgestellt und der Effekt von verschiedenen, polaren Endgruppen diskutiert. Die molekulare Struktur von Dithiocarbamaten wurde unter anderem mit aromatischen und fluorierten Substitutionen modifiziert, um unterschiedlich polare Momente des Moleküls zu erzeugen. Diese haben direkten Einfluss auf die resultierende Austrittsarbeit der modifizierten Elektrode und ermöglichen ein breites Fenster von verfügbaren Austrittsarbeiten für Edelmetalle auf Basis modifizierter Dithiocarbamate.(iii) Zuletzt wird der Schritt zur Modifikation von transparenten, leitfähigen Oxiden auf Basis der molekularen Struktur der Dithiocarbamate vollzogen. Dabei wird das häufig verwendete Indium Zinn Oxid (ITO) als Substrat genutzt. Zur Modifikation von Oxiden ist eine alternative, molekulare Bindungsgruppe nötig, um eine chemische Reaktion mit der Oberfläche einzugehen. Deshalb wurden hier Amino-substituierte Carboxylsäuren zur Modifikation verwendet. Damit konnte eine Reduzierung auf Werte bis zu 4.0 eV demonstriert werden. Diese ersten Resultate dienen als Wegweiser zur Identifikation neuer Moleküle, um noch geringere Austrittsarbeiten im Bereich derer von Dithiocarbamaten auf Edelmetallen zu generieren.