Preparation and Characterization of thin films of organic semiconductors and their heterostructures

Diese Arbeit ist eine Zusammenfassung der Studien zur Präparation und spektroskopischen Charakterisierung von Dünnfilmen des organischen Halbleitermoleküls Perfluoropentacen (PFP) und Pentacenetetrone (P-TET), sowie von Heterostrukturen von PFP und Pentacen (PEN) und von PEN und Buckminster-Fulleren...

Ausführliche Beschreibung

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Bibliographische Detailangaben
1. Verfasser: Breuer, Tobias
Beteiligte: Witte, Gregor (Prof. Dr.) (BetreuerIn (Doktorarbeit))
Format: Dissertation
Sprache:Englisch
Veröffentlicht: Philipps-Universität Marburg 2013
Physik
Schlagworte:
Online Zugang:PDF-Volltext
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Beschreibung
Zusammenfassung:Diese Arbeit ist eine Zusammenfassung der Studien zur Präparation und spektroskopischen Charakterisierung von Dünnfilmen des organischen Halbleitermoleküls Perfluoropentacen (PFP) und Pentacenetetrone (P-TET), sowie von Heterostrukturen von PFP und Pentacen (PEN) und von PEN und Buckminster-Fulleren (C60). Durch die Kombination verschiedener Messtechniken wurden die Morphologie und Struktur der Dünnfilme analysiert und der Effekt von Veränderungen des Präparationsprozesses wie zum Beispiel der Variation der Diffusionslängen der Moleküle durch Einstellung der Substrattemperatur auf die Dünnfilme untersucht. Durch die gezielte Auswahl von Substraten verschiedener geometrischer und chemischer Eigenschaften wurden molekulare Dünnfilme in verschiedener, hochgeordneter Ausrichtung hergestellt. Dies ermöglichte die detaillierte polarisationsaufgelöste spektroskopische Vermessung dieser Dünnfilme, wodurch die anisotropen elektronischen, morphologischen und Vibrationseigenschaften der organischen Halbleitermoleküle in kristalliner Form bestimmt werden konnten. Weiterhin wurde der Einfluss der nanoskopischen Qualität des Trägersubstrates auf die resultierenden Dünnfilm-Eigenschaften für die Kombination von hochorientiertem pyrolitischen Graphit (HOPG) als Substrat und PFP und P-TET als Adsorbate untersucht. Hierbei zeigte sich, dass die schwache, aber effiziente Wechselwirkung zwischen dem Graphit-Substrat und dem Adsorbat in einer planaren Adsorptionsgeometrie und großer Kristallitgröße der Acene auf HOPG resultiert. Dies ist speziell interessant, da es spektroskopischen Zugang zu Dünnfilmen in liegender molekularer Orientierung ermöglicht, ohne dass die Moleküle durch starke Wechselwirkung mit dem Substrat chemisch verändert werden, wie es oft bei Kontakt mit Metalloberflächen der Fall ist. Durch Variation der Substratqualität wurde festgestellt, dass bereits mikroskopische Fehlstellen im Substrat diesen Effekt unterbinden, sodass die Substratqualität als kritischer Parameter für die Strukturbildung in molekularen Dünnfilmen identifiziert wurde. Im Falle der Deposition von PFP auf HOPG wurde eine neuartige Kristallphase (Polymorphismus) von PFP entdeckt, in der die PFP-Moleküle relativ zueinander parallel stapeln statt das typische Herringbone-Muster einzunehmen. Weiterhin wurden die PFP-Metall-Grenzflächen an den Metallen Gold, Silber und Kupfer studiert. Da diese Grenzflächen von entscheidender Bedeutung für die Effizienz realer Bauteile sind, ist ihr Verständnis und die Stabilität dieser Grenzfläche von großer Bedeutung für die Weiterentwicklung organischer elektronischer Bauteile. Es zeigte sich hierbei, dass die für PFP postulierte Stabilität gegenüber katalytischen Prozessen weitaus schwächer ist als vorhergesagt. Als Konsequenz treten an Grenzflächen mit reaktiven Silber- und Kupferoberflächen bei Zufuhr von thermischer Energie signifikante Veränderungen der strukturellen und elektronischen Eigenschaften auf, die bei hohen Temperaturen zu einer vollständigen Dissoziation des Moleküls führen. Zudem wurden Studien durchgeführt, die zu einem erweiterten Verständnis in der Strukturbildung und Wechselwirkung organischer Moleküle miteinander beitragen sollen. Solche organische Heterostrukturen sind von großer Bedeutung, da eine Vielzahl prototypialer elektronischer Bauelemente, wie beispielsweise organischer Solarzellen oder ambipolarer organischer Feldeffekttransistoren, auf Kombinationen mehrerer Komponenten zurückgreifen. Da die Effizienz dieser Bauteile wiederum kritisch von der elektronischen Wechselwirkung, der Durchmischung und relativen Anordnung der Komponenten zueinander bestimmt wird, sind die Ergebnisse dieser Arbeit, in der anhand geeigneter Modellsysteme eben solche Zusammenhänge untersucht wurden, von großer Bedeutung. Als Modellsysteme wurden Heterostrukturen von PFP und PEN sowie von PEN und C60 untersucht. Aufgrund der hohen strukturellen und elektronischen Kompatibilität tritt kristalline molekulare Durchmischung von PEN und PFP auf. Es wurde in dieser Arbeit nachgewiesen, dass die vorhergesagte effektive Quadruopol-Wechselwirkung beider Komponenten zu elektronischer Wechselwirkung und erhöhter thermischer Stabilität gegenüber den Einzelkomponenten führt. Darauf aufbauend wurden verschiedene Präparationsmethoden zu ihrer Herstellung verglichen. Zudem wurden detaillierte Erkenntnisse über die Auswirkungen der Durchmischung auf die elektronischen Eigenschaften gewonnen. Obwohl Heterostrukturen von PEN und C60 dagegen molekularer Entmischung unterliegen, beeinflussen sie sich dennoch in ihrer Nanostruktur. Es wurde gezeigt, dass durch Einstellung der Diffusionslängen der Fullerene C60-Nanostrukturen unterschiedlicher Dimensionalität mit gezielter Anlagerung an PEN-Molekularstufen hergestellt werden können. Dies bietet die Möglichkeit zur Fabrikation vergrabener molekularer Nanostrukturen, die spektroskopisch adressiert werden können.
DOI:https://doi.org/10.17192/z2013.0406