The mechanism of work function tuning with covalently bound self-assembled monolayers : a study on electrode functionalization for the optimization of organic electronics

• Der Mechanismus der Austrittsarbeitsanpassung mittels kovalent gebundenen selbstanordnenden Monolagen : Eine Studie zur Elektroden-Funktionalisierung für die Optimierung von organischer Elektronik

Rittich, Julia; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Taubner, Thomas Günter (Thesis advisor)

Aachen (2018, 2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Kurzfassung

Die Funktionalität organischer Elektronik wird von dem Zusammenspiel der unterschiedlichen Grenzflächen des Bauteils maßgeblich beeinflusst. Organische Bauteile bestehen üblicherweise aus einem Schichtsystem von Elektroden und organischen Halbleitern. Die vorliegende Arbeit ist auf die Grenzfläche zwischen der Elektrode und der folgenden organischen Schicht fokussiert. Durch die energetische Kontrolle dieser Grenzfläche kann die Effizienz signifikant erhöht werden. Ein Schlüsselfaktor in diesem Zusammenhang ist die elektronische Anpassung der Elektrodenaustrittsarbeit und des Leitungsorbitals des anschließenden organischen Halbleiters. Die Energieniveauanpassung kann durch verschiedene Ansätze erreicht werden. In dieser Arbeit wird hierfür eine monomolekulare Zwischenlage, eine sogenannte selbstanordnende Monolage (SAM), verwendet. Diese Art von Monolage bindet kovalent an die Elektrodenoberfläche und besitzt die Eigenschaft die Austrittsarbeit der Elektrode zu modifizieren und gleichzeitig die Schichteigenschaften beizubehalten. Um ein tieferes Verständnis der Grenzflächenkontrolle zu erreichen, wird der Mechanismus der Austrittsarbeitsanpassung durch SAMs im Detail betrachtet. Aus diesem Grund werden Experimente durchgeführt, die Einblicke zur SAM-Bildung geben und eine theoretische Beschreibung der SAM induzierten Austrittsarbeitsänderung möglich machen. Zuerst wird mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS), Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR) die Bildung des SAMs untersucht. Neben der Oberflächenbedeckung werden die kovalente Substratbindung und die Orientierung der Moleküle im SAM analysiert. Diese Studie wird mit dem Molekül 4-Dimethylaminobenzoesäure (4DMABA) auf Indiumzinnoxid (ITO) Elektroden durchgeführt. Im Anschluss an diese Analyse wird die Änderung der Austrittsarbeit betrachtet. Als Startpunkt wird die Änderung der Austrittsarbeit von ITO Elektroden studiert. Dies wird durch die Aufbringung von Carboxylsäuren als SAM realisiert. Eine systematische Veränderung der Moleküle führt zu drastischen Austrittsarbeitsänderungen. Für ein theoretisches Verständnis wird ein etabliertes Modell zur Beschreibung der Daten angewendet. Das Modell verbindet die Austrittsarbeitsänderung mit dem molekularen Dipol der freien Moleküle. Zudem wird im Rahmen dieser Arbeit ein weiteres Modell zur Beschreibung des Mechanismus der Austrittsarbeitsänderung entwickelt. Dieses Modell basiert auf den energetischen Positionen der Leitungsorbitale der SAM-Moleküle. Mit der Anwendung dieses Modells kann die Vorhersage der Austrittsarbeit für weitere Carboxylsäuren an der ITO-Organik-Grenzfläche möglich gemacht werden. Anschließend werden die Effizienzverbesserungen in einem realen elektronischen Bauteil analysiert. Daher werden die Modifikationen auf organische Dünnschichttransistoren mit ITO-Source- und Drain-Kontakten und PTCDI-C13 als aktives organisches Material angewendet. Da der Kontaktwiderstand direkt von der energetischen Barriere dieser Grenzfläche abhängt, ist er ein gutes Maß für die Anpassung der Energieniveaus der Elektroden-Organik-Grenzfläche. Daher wird diese Größe im Detail analysiert und zeigt eine enorme Verbesserung bei Anwendung einer energetisch passenden Modifikation. Um ein vollständiges Bild des Mechanismus der Austrittsarbeitsänderung zu erhalten, werden die angewendeten Modelle auf weitere SAM-Systeme übertragen. Dies wird zunächst für Phosphonsäure SAMs auf ITO vollzogen, wobei die Daten ebenfalls mit den Modellen beschrieben werden können. Darüber hinaus werden Moleküle auf weitere transparent leitfähige Oxide (TCOs) aufgebracht, um den Mechanismus auf die gesamte Klasse von TCOs zu verallgemeinern. Schließlich werden Ergebnisse für die Modifizierung von Edelmetallen, Silizium und TCOs zusammengeführt und die generelle Möglichkeit, die Elektrodenaustrittsarbeit für eine verbesserte Bauteileffizienz zu modifizieren, gezeigt. Abschließend wird ein modularer Baukasten eingeführt, um einen SAM für spezifische Anwendungen zu entwerfen und so die Grenzflächen abzustimmen.