Organic thin film transistors : electrical properties of organic/inorganic interfaces modified by self-assembled monolayers

• Organische Dünnfilmtransistoren : Elektrische Eigenschaften von mit selbstanordnenden Monolagen modifizierten Organik/Anorganik-Grenzflächen

Jung, Sebastian; Wuttig, Matthias (Thesis advisor); Heuken, Michael (Thesis advisor)

Aachen (2019)
Doktorarbeit

Dissertation, RWTH Aachen University, 2019

Kurzfassung

Die ersten organischen elektronischen Bauteile wurden Mitte der 1980er Jahre entwickelt. In den letzten Jahrzehnten verdrängten sie aufgrund ihrer rapiden Entwicklung und der damit einhergehenden technischen Reife in Anwendungsgebieten wie Smartphone-Displays zunehmend ihre anorganischen Gegenstücke. Zusätzlich werden zunehmend neue Anwendungsfelder durch organische elektronische Bauteile wie zum Beispiel für medizinische Hautsensoren erschlossen. Allerdings weisen organische Bauteile im Allgemeinen noch eine geringere Effizienz als anorganische Bauteile auf. Indem entweder die intrinsischen Eigenschaften der organischen Materialien verbessert werden oder die Anorganik/Organik-Grenzfläche der entsprechenden Bauteile optimiert wird, kann dieses Problem gelöst werden.In dieser Arbeit wird die Grenzfläche zwischen den Bauteilelektroden und dem angrenzenden organischen Halbleitermaterial untersucht, um zu verstehen, wie ohmsche Verluste an dieser Grenzfläche minimiert werden können und damit die Bauteileffizienz steigt. Zu diesem Zweck werden organische Dünnschichttransistoren elektrisch charakterisiert, deren Source- und Drain-Elektroden mittels selbst-anordnender Monolagen (SAMs) modifiziert werden. SAMs sind kleine organische Moleküle, die sich auf einer geeigneten Oberfläche selbständig anordnen und eine kovalent gebundene Monolage bilden. Diese Modifikation der Dünnschichttransistorelektroden ermöglicht die Anpassung der Energiebarriere an der Grenzfläche, die gegeben ist als Differenz der Elektrodenaustrittsarbeit und der energetischen Position des Leitungsorbitals des organischen Materials.Um die Anpassung der Energiebarriere und die Auswirkung auf die Effizienz der entsprechenden Transistoren zu bestimmen, wird der Kontaktwiderstand der Transistoren mittels der Transmissionslinien-Methode bestimmt. Durch geeignete Wahl des SAM-Moleküls und somit der Minimierung der Energiebarriere an den Kontakten können die thermischen Verluste aufgrund des Kontaktwiderstandes um mehr als eine Größenordnung verringert werden. Zusätzlich kann gezeigt werden, dass die Effizienzunterschiede als Funktion der Injektionsbarriere beschrieben werden können. Basierend auf Literaturmodellen wird in dieser Arbeit ein Modell entwickelt, welches die Beschreibung der Austrittsarbeit nach SAM Modifizierung ermöglicht. Das entwickelte Modell ermöglicht in der Folge die Vorhersage von geeigneten SAM-Molekülen für spezifische Anwendungen. Neben den Messungen an fertigen Bauteilen werden in-situ live Messungen an Transistoren durchgeführt. Durch die Vermessung der Transistoreigenschaften während des Wachstums der organischen aktiven Schicht können neben der Anpassung der Energielevel an den Elektroden weitere Faktoren wie die Dicke der aktiven organischen Schicht abgeleitet werden, die für die optimale Herstellung eines Bauteiles relevant sind.