Electron Microscopy Characterization of Pentacene and Perfluoropentacene Grown on Different Substrates

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Analyse der Morphologie, des Arrangements und der Orientierung organischer Halbleiterschichten mittels (raster-) transmissionselektronischer Methoden (im englischen: (scanning) transmission electron microscopy (S)TEM). Der organische Halbleiter Perfluoropentacen (PFP) sowie organische Heterostrukturen bestehend aus Pentacen (PEN) und PFP wurden untersucht. PFP wurde auf Graphen Substrate ausgewachsen, während die organischen Halbleiter PEN und PFP mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen auf zwei verschiedenen Substraten (SiO2 bzw. KCl) abgeschieden wurden. PFP bildet auf Graphen inselförmige Strukturen, die mit dem Substrat in einer epitaktischen Beziehung stehen. Die PFP Moleküle liegen flach und parallel zum Substrat und bilden das so genannten „π-stacked Polymorph“. Im Rahmen dieser Arbeit wurde die laterale Ausrichtung der PFP Moleküle bezüglich des Substrates bestimmt. Es zeigte sich, dass die lange Molekülachse des PFPs abgesehen von einem geringen Offset parallel zu der zig-zag Richtung des Graphens liegt. Des Weiteren wurde die Morphologie der PFP Inseln untersucht. Zwischen den Inselkanten wurde ein charakteristischer Winkel von etwa 68° gemessen. Die Ebenen, die sowohl zur Richtung des Elektronenstrahls als auch zu den Inselkanten parallel verlaufen, konnten über eine Kombination der Informationen aus den TEM Aufnahmen und den Beugungsbildern indiziert werden. Aus diesen Ergebnissen konnten wiederum die möglichen Seitenfacetten der Inseln ermittelt werden. Um zusätzliche Informationen über die dreidimensionale Form der Inseln zu erhalten, wurden elektronentomographische Untersuchungen durchgeführt. PEN:PFP Proben, die mit verschiedenen Mischungsverhältnissen von [2:1], [1:1] und [1:2] auf das inerte Substrate SiO2 aufgewachsen wurden, wurden mittels SEM und TEM untersucht. Obwohl sich für jedes Mischungsverhältnis unterschiedliche Phasen und Morphologien bildeten, entstand in allen Fällen eine Mischphase aus PEN und PFP, die für alle Proben ähnliche Gitterparameter aufwies. Das einkristalline Beugungsbild dieser Mischphase auf SiO2 wurde in dieser Arbeit zum ersten Mal aufgenommen und analysiert. Dieses Beugungsbild ist dem des PENs sehr ähnlich und suggeriert, dass PEN und die Mischphase eine ähnliche Kristallsymmetrie besitzen. Für Mischungsverhältnisse mit einem Überschuss an PEN bzw. PFP zeigte sich, dass sich die jeweilige überschüssige Phase zusätzlich zur Mischphase ausbildet. Die verschiedenen PEN:PFP Mischungsverhältnisse resultierten in unterschiedlichen Morphologien. Die Mischung gleicher Anteile von PEN und PFP führte zu der Bildung faserartiger Strukturen bestehend aus der Mischphase. Bei einem PFP Überschuss entstanden PFP Fasern, die sich auf einer Schicht aus der Mischphase befinden. Bei einem Überschuss an PEN hingegen ließ sich eine körnige Struktur (Korngröße 10 nm-60 nm) mit Beiträgen puren PENs und der Mischphase beobachten. Zusätzlich zu dem inerten Substrat wurde das kristalline Substrat KCl verwendet, um das Wachstum von PEN:PFP Gemischen mit den Mischungsverhältnissen [2:1] und [1:2] zu untersuchen. Die zuvor nachgewiesene Mischphase bildete sich auch bei diesen Proben aus. Bei der Probe mit PEN Überschuss liegen sowohl PEN als auch die Mischphase in einer einheitlichen Schicht vor, die in der Ebene um 90° zueinander rotierte Domänen enthält. In der Probe mit PFP Überschuss konnten zwei verschiedene Arrangements bestimmt werden. Der Großteil der Probe setzt sich aus nadelförmigen PFP Fasern zusammen, die sich auf einer Schicht der Mischphase befinden. Ein geringerer Anteil der Probe besteht aus einem Film reinen PFPs, das direkt auf das KCl Substrat aufwuchs. Die Bedeutung von PFP, das auf Graphen aufgewachsen ist, liegt in der Relevanz des Substrates selbst, zusammen mit der Anordnung entlang des π-Orbitals, die das PFP auf ihm ausbildet. Dieses Arrangement verbessert die Ladungsträgermobilität entlang der Stapelrichtung. Die Kenntnis über die relative Ausrichtung zwischen PFP und Graphen sowie über die Facettierung der PFP Inseln ist von hoher Bedeutung, da die physikalischen Eigenschaften von diesen Parametern abhängen. Bezüglich der Rolle organischer Heterostrukturen in der Entwicklung organischer elektronischer Bauteile ist ein tiefgehendes Verständnis der Anordnung der organischen Moleküle in den Gemischen erforderlich, um neue organische Bauteile zu konzipieren.