Perylene and its diimides : investigation of the influence of molecular diffusion on the thin film growth

• Perylen und seine Diimide : Untersuchung des Einflusses der molekularen Diffusion auf das Wachstum dünner Filme

Jodocy, Cathy; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Taubner, Thomas Günter (Thesis advisor)

Aachen (2017)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

Hoch geordnete organische Dünnfilme sind erforderlich um neuartige elektronische und optische Anwendungen für Hochleistungsgeräte zu realisieren, welche auf organischen Materialien basieren. Dabei konzentriert sich die vorliegende Arbeit auf das Verständnis der beim Wachstum dünner Schichten beteiligten Prozesse. Das Ziel ist die Bildung organischer dünner Filme zu steuern und zu optimieren. So werden erfolgreiche Wachstumsstrategien entwickelt. Dabei werden die Keimbildung und das Wachstum von organischen dünnen Filmen mit Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht. Die kristalline Struktur der Schichten wird mit Röntgenbeugung (XRD) erkundet.Eine Möglichkeit die Effizienz von Geräten mit organischen aktiven Schichten zu verbessern, ist die Anwendung von dielektrischen Oberflächenmodifikationen (DSMs) um das Filmwachstum gezielt zu steuern. Die Energetik der Substratoberflächen wird manipuliert durch die Verwendung solcher organischen selbstorganisierenden Monoschichten (SAMs) oder polymeren Dielektrika. Oft werden die DSMs bezüglich ihre Neigung gewählt die freie Oberflächenenergie (SFE) zu ändern. Andere Parameter der DSMs, welche die Morphologie des Films auf der Oberfläche beeinflussen, sind bisher noch nicht vollständig bestimmt und verstanden. Dieses mangelhafte Verständnis behindert eine ausgeklügelte Auswahl der Modifikationen. In der vorliegenden Arbeit werden die DSMs in einer Weise gewählt, dass die SFE der verwendeten Siliziumsubstrate in einer analogen Art abgesenkt wird. Dies bietet die Möglichkeit, exakt den Einfluss anderer Parameter zu untersuchen, welcher die Modifikationen auf das nachfolgende Filmwachstum haben, wie z.B. die Morphologie, die Oberflächenrauhigkeit oder Aufladung der Grenzfläche der DSMs. Aus früheren Wachstumsstudien ist bekannt, dass die Absenkung der Oberflächenenergie in der Regel eine Verstärkung der molekularen Diffusion auf diesen Oberflächen bewirkt. Ferner wird eine hohe Diffusivität mit dem Wachstum von großen und gut geordneten Inseln korreliert. In der hier vorliegenden Arbeit werden drei unterschiedliche DSMs untersucht. Auf der polymeren Modifikation mit einer homogenen Oberfläche wachsen hoch geordnete Filme. Auf rauen und unebenen Oberflächen einer anderen DSM wird deutlich eine gewisse Verminderung der Diffusionslänge von organischen kleinen Molekülen beobachtet. Des Weiteren, wird deutlich gezeigt, dass die Anwendung des verwendeten, stark elektronegativen SAM das Diffusionsvermögen hemmt, trotz der gleichzeitig vorliegenden geringen SFE. Der Grenzflächendipol reduziert die Diffusionslänge der Moleküle.Neben der Untersuchung von Oberflächenmodifikationen, ist ein Ziel dieser Arbeit, das Wachstumsverhalten verschiedener organischer kleiner Moleküle zu verstehen. Perylen und einige seiner Diimide werden untersucht. Bei den N,N'-Dialkyl Perylentetracarbonsäurediimide (PTCDIs) wird der Einfluss der Alkylkettenlänge analysiert. Für die unterschiedlichen Wachstumsarten werden entsprechende Entwicklungsmodelle aufgestellt. Hierbei ergibt sich, dass Perylen als Referenzsystem für 3-dimensionales Wachstum, auch als Inselwachstum bezeichnet, diskutiert werden kann. Das Diimide mit der längsten Alkylkette, PTCDI-C13, dient als Referenz für hohes 2-dimensionales Wachstum, welches Schichtwachstum entspricht. Es kann gezeigt werden, dass für die PTCDIs, welche in dieser Arbeit untersucht werden, die Kettenlänge mit dem Wachstumstyp korreliert. Die PTCDIs mit langer Kettenlänge zeigen deutlicheres Lagenwachstum mit hoher struktureller Ordnung der Schichten. Wohingegen, kürzere Moleküle bevorzugt 3-dimensional wachsen. Die Erhöhung der Substrat-Temperatur während der Filmabscheidung äußert sich durch eine Zunahme der strukturellen Ordnung innerhalb der dünnen Filme. Somit konnte die Herstellung von Filmen aus organischen Molekülen mit extrem hoher Ordnung erfolgreich umgesetzt werden.