Perylene diimide thin films : structure, electrons and excitons

  • Perylendiimid Dünnschichten : Struktur, Elektronen und Exzitonen

Segger, Ingolf; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Heinke, Heidrun (Thesis advisor)

Aachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University (2016)
Doktorarbeit

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Kurzfassung

Ausgelöst durch die ersten Berichte über funktionierende organische optoelektronische Bauelemente in den späten 1980er Jahren hat sich in den letzten zwei Jahrzehnten ein großes Interesse an organischer Halbleitertechnologie entwickelt. Heutzutage sind bereits verschiedene Produkte kommerziell erhältlich, die auf organischen Halbleitern basieren. Während die ersten Displays auf Basis organischer Leuchtdioden (OLED) nur als kleine Bauelemente produziert wurden, z.B. für die Anwendung in Mobiltelefonen, sind mittlerweile auch großflächige OLED-Fernseher erhältlich. Im Vergleich zu Bildschirmen aus anorganischen Materialien besitzen OLED-Displays sehr brilliante Farben, hohe Kontraste und eine hohe Blickwinkelstabilität. Dennoch führen andere Produkte wie OLEDs zur Raumbeleuchtung, organische Solarzellen oder Schaltkreise auf Basis organischer Halbleiter noch ein Nischendasein oder haben noch nicht die Marktreife erlangt. Nichtsdestotrotz werden immer noch neue Konzepte wie organische lichtemittierende Transistoren (OLETs), die die besondere Eigenschaft haben, gleichzeitig schaltendes und lichtemittierendes Bauteil zu sein, realisiert. Praktisch alle relevanten Anwendungen organischer Halbleiter beruhen auf Dünnschichtprozessen, was die resultierenden Bauelemente sehr materialeffizient macht. Weiterhin ermöglicht die Tatsache, dass die meisten organischen Materialien bei niedrigen Temperaturen oder aus Lösungen prozessiert werden können, außerdem eine energieeffiziente Produktion. Es gibt jedoch einige wichtige Parameter, die die Bildung der Dünnschichten stark beeinflussen und somit die resultierenden Materialeigenschaften sowie die Leistungsfähigkeit des Bauteils bestimmen. Im Falle der Dünnschichtabscheidung im Vakuum sind die wichtigsten Prozessparameter die Substrattemperatur während der Deposition, die Depositionsrate sowie die Oberflächenenergetik des Substrats und bestimmte Nachbehandlungen (z.B. Lösungsmittelbehandlungen oder Tempern).In dieser Arbeit wird der Einfluss der Struktur dünner Schichten auf die fundamentalen physikalischen Eigenschaften Lichtemission und Ladungstransport für eine Gruppe vielversprechender n-Typ organischer Halbleiter, N,N'-dialkyl Perylen tetracarbonsäure diimide (PTCDI-C$_\mathrm{n}$), diskutiert. Zur Untersuchung der Emissionseigenschaften wurden Experimente mittels temperaturabhängiger Photolumineszenzspektroskopie (PL) an strukturell sehr unterschiedlichen Dünnschichtproben durchgeführt. Die Struktur der Dünnschichten wurde zum einen durch thermische Behandlung während oder nach der Deposition und zum anderen durch den Einsatz unterschiedlich langer Alkylketten als Substituent an den PTCDI Molekülen zwischen amorph und hochtexturiert polykristallin kontrolliert. Es wird ein Modell vorgeschlagen, das die Emissionsspektren in zwei verschiedene Beiträge aufteilt: Ein Emissionskanal entspricht dem typischen Verhalten eines H-Aggregats, was anhand der Kristallstruktur der PTCDI-C$_\mathrm{n}$ auch erwartet wird. Weiterhin wird ein zweiter Emissionskanal, der einer defektunterstützten Emission entspricht, für Proben mit wenig struktureller Ordnung identifiziert. Das Verhältnis beider Emissionskanäle folgt strengen Tendenzen: Mit zunehmender struktureller Ordnung durch Tempern verringert sich der Beitrag der defektunterstützten Emission monoton. Weiterhin wird beobachtet, dass durch längere Alkylketten als Substituenten eine höhere strukturelle Ordnung in den Dünnschichten erreicht werden kann. Bei gleichen Prozesstemperaturen verringert sich der Anteil der Defektemission monoton mit ansteigender Alkylkettenlänge.Um den Einfluss der Wachstumstemperatur und der Länge der Alkylketten der PTCDI Moleküle zu untersuchen wurde ein extra dafür angefertigter Versuchsaufbau benutzt, der die in-situ Messung von Strom-Spannungskennlinien von Transistoren während des Wachstums der Dünnschicht des aktiven Materials erlaubt. Aus diesen Experimenten können mehrere wichtige Schlüsse gezogen werden: Im Falle ausreichend langer Alkylketten (bestehend aus acht oder mehr Methylgruppen) wächst das Material bevorzugt lagenweise, was sich in einer wohldefinierten Entwicklung der Transistoreigenschaften mit zunehmender Schichtdicke niederschlägt. Das Hinzufügen thermischer Energie durch die Deposition auf geheizte Substrate verbessert das Wachstumsverhalten und damit die elektrischen Eigenschaften zusätzlich. Die besten auf diese Art hergestellten Transistoren besitzen hohe Ladungsträgermobilitäten von ungefähr 0,4 $cm^2/Vs$. Weiterhin erlaubt die eingesetzte Charakterisierungsmethode durch den Vergleich mit theoretischen Modellen die experimentelle Bestimmung der relativen Ladungsträgerdichten innerhalb der einzelnen Monolagen des aktiven Materials, die zum Ladungstransport beitragen. Mit Hilfe dieser Technik wird experimentell gezeigt, dass das für anorganische Halbleiter gültige Modell der kontinuierlichen Ladungsträgerverteilung an der Grenzfläche zu einem Dielektrikum für organische Halbleiter durch einen diskreten Formalismus ersetzt werden muss, der die lagenweise Struktur dieser Halbleiter berücksichtigt.

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