The organic-metal interface : design of an inverse photoemission spectrometer for the investigation of the energy level alignment and the electronic structure

  • Die Organik-Metall Grenzfläche - Design eines inversen Photoemissionsspektrometers zur Untersuchung des Energieniveauausgleichs und der elektronischen Struktur

Jacobi, Carolin Claudia; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Mayer, Joachim (Thesis advisor)

Aachen (2017, 2018)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Kurzfassung

In den letzten Jahren, rief die Entwicklung (opto-)elektronischer Bauteile, welche sich die Eigenschaften organischer Halbleiter zu Nutze machen, großes wissenschaftliches Interesse hervor. Diese Entwicklung hat heutzutage zu kommerziell erhältlichen Produkten geführt, die aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken sind. Im Zuge der Bauteilkonzeption spielen Organik-Metall und Organik-Organik Grenzflächen bei der Ladungsinjektion und dem Transport in diesen Geräten eine entscheidende Rolle. Um die Geräteleistung weiter verbessern zu können, müssen die elektronische Struktur, die chemischen Eigenschaften und das elektrische Verhalten dieser Grenzflächen vollständig charakterisiert und verstanden werden. Die vorliegende Arbeit gliedert sich in diesen Kontext ein. Dabei liegt der besondere Fokus auf der Organik-Metall Grenzfläche. Es werden vier verschiedene Themen behandelt:(I) Zunächst wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit ein inverses Photoemissionsspektrometer konstruiert und erfolgreich in Betrieb genommen. Die inverse Photoemissionsspektroskopie (IPES) ermöglicht die Untersuchung des unbesetzten Teils der Zustandsdichte. Somit kann in Kombination mit der ultravioletten Photoelektronspektroskopie (UPS) die komplette Zustandsdichte des zu untersuchenden Materials vermessen werden. Während der Vorbereitung der vorliegenden Arbeit wurden diese beide Methoden (UPS/IPES) angewandt, um die elektronischen Zustände an der Grenzfläche zwischen Edelmetallen und organischen Halbleitern zu untersuchen.(II) Eine Diskussion über die elektronische Struktur der metallischen Substrate bildet die Grundlage, um die an der Organik-Metall Grenzfläche auftretenden Effekte besser zu verstehen. Die vorgestellten Daten dienen ferner als Nachweis, dass mit Hilfe des IPE-Spektrometers verlässliche und belastbare Ergebnisse erzielt werden können.(III) Vor der Fokussierung auf die Grenzfläche zwischen dem organischen Halbleiter und der Metalloberfläche wird die elektronische Struktur von organischen Dünnfilmen, welche Bulk-Eigenschaften besitzen, diskutiert. In diesem Zusammenhang wurde eine UPS-/IPES-Studie an dem Molekül N,N’-dimethyl-3,4,9,10-perylene dicarboximide (DiMe-PTCDI oder PTCDI-C1), auf dem das Hauptaugenmerk der vorgelegten Arbeit liegt, durchgeführt. Des Weiteren werden die Ergebnisse mit den elektronischen Zuständen des Kernmoleküls Perylen und mit zwei Perylenderivaten - 3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic acid dianhydride (PTCDA) und N,N’-dioctyl-3,4,9,10-perylene dicarboximide (PTCDI-C8) -, welche ebenfalls im Rahmen der Arbeit vermessen wurden, verglichen. Die erhaltenen Ergebnisse offenbaren, dass Perylen aufgrund der hohen Position des LUMOs relativ zum Fermi Niveau EF eine hohe Injektionsbarriere für Elektronen aufweist. Als Folge weist Perylen hauptsächlich p-Typ-Transport auf. Weiterhin ist gezeigt, dass die Substitution von Perylen mit einer elektronenanziehenden Anhydrid- oder Imidgruppe die molekularen Orbitale in Bezug auf das Vakuumniveau signifikant senkt. Hierbei ist der Einfluss auf die Elektronenaffinität viel stärker als auf die Ionisationsenergie. Somit besitzen sowohl PTCDA als auch DiMe-PTCDI und PTCDI-C8 relativ zu EF ein niedrig liegendes LUMO, was zu n-Typ-Verhalten der Moleküle führt. Der Austausch des Sauerstoffatoms in der Anhydridgruppe von PTCDA durch die weniger polare Methylimidgruppe im Falle von DiMe-PTCDI führt zu einer geringen Erhöhung der Molekülorbitale in Bezug auf das Vakuumniveau. Aus diesem Grund weist DiMe-PTCDI eine geringfügig kleinere Elektronenaffinität sowie eine verringerte Ionisierungsenergie auf. Die Verlängerung der Alkylkette im Vergleich von DiMe-PTCDI (PTCDI-C1) mit PTCDI-C8 hat hingegen nur einen sehr geringen Einfluss auf die elektronische Struktur.(IV) Zu guter Letzt werden die Effekte, welche an der Grenzfläche zwischen DiMe-PTCDI und den Edelmetallen Silber und Kupfer auftretenden, bezüglich ihrer chemischen und elektronischen Wechselwirkungen diskutiert. Daher wurde für diese Untersuchung zusätzlich zu den UPS- und IPES-Messungen auch Röntgen-Photoelektronspektroskopie (XPS) eingesetzt. Weiterhin wurde das Wachstumsverhalten der DiMe-PTCDI Moleküle auf dem jeweiligen Substrat mit Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht. Auf Silber zeigt DiMe-PTCDI Volmer-Weber-Wachstum. Ferner wird eine starke Chemisorption zwischen den DiMe-PTCDI Molekülen und dem darunter liegenden Silbersubstrat beobachtet. Diese starke chemische Wechselwirkung bewirkt die Bildung einer kovalenten Bindung zwischen dem Molekül und dem Substrat. Die Bildung der kovalenten Bindung wiederum führt zum Auffüllen des LUMOs des isolierten Moleküls, welches somit zum HOMO des Dünnfilms wird. Für das auf Kupfer gewachsene DiMe-PTCDI werden ebenfalls Volmer-Weber-Wachstum und das Auffüllen des LUMOs beobachtet. Allerdings offenbaren die Ergebnisse der XPS-Messungen eine schwächere chemische Wechselwirkung im Vergleich zu dem auf Silber gewachsenem DiMe-PTCDI. Während im letzteren Fall die ganze funktionelle Gruppe - die Sauerstoff und Stickstoffatome - zur Wechselwirkung mit dem Substrat beiträgt, wird für DiMe-PTCDI auf Kupfer eine chemische Wechselwirkung mit dem darunterliegenden Substrat nur für die Stickstoffatome beobachtet.

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