Wachstum und Struktur kristallinier Phthalocyanin-Dünnfilme

Das Wachstum und die Struktur molekularer Dünnfilme ist von großem Interesse für die Verbesserung organischer Elektronikbauteile (z.B. organischer Feldeffekttransistoren (OFETs)), da ihre optoelektronischen Eigenschaften stark von der mikroskopischen Struktur abhängen. Ein tiefes Verständnis des Wac...

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Main Author: Kothe, Michael
Contributors: Witte, Gregor (Prof. Dr.) (Thesis advisor)
Format: Dissertation
Language:German
Published: Philipps-Universität Marburg 2020
Subjects:
Online Access:PDF Full Text
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Description
Summary:Das Wachstum und die Struktur molekularer Dünnfilme ist von großem Interesse für die Verbesserung organischer Elektronikbauteile (z.B. organischer Feldeffekttransistoren (OFETs)), da ihre optoelektronischen Eigenschaften stark von der mikroskopischen Struktur abhängen. Ein tiefes Verständnis des Wachstumsverhaltens wird benötigt um strukturelle Parameter wie kristalline Phase und Orientierung, molekulare Orientierung, Kristallinität, Topographie etc. anzupassen. Als organische Halbleiter wird häufig die Klasse der Phthalocyanine, von denen einige Bereits in industrieller Produktion genutzt werden, verwendet. Dennoch fehlt bis jetzt ein komplettes Verständnis der Wachstumsmodi, mit dem sich die Struktur und optoelektronische Eigenschaften neuer Phthalocyaninderivate vorhersagen ließen. Zur Gewinnung eines tieferen Verständnisses der zugrundliegenden Wachstumsprozesse werden weitere systematische Studien zum Wachstumsverhalten von Phthalocyaninen benötigt. In der Klasse der Phthalocyanine sind Titanly-Phthalocyanin (TiOPc) und Kupfer(II)-Phthalocyanin (CuPc) häufig verwendete Moleküle, die bereits in organischer Elektronik verwendet werden, weshalb sie sich für eine detaillierte Wachstumsanalyse eigenen. Während einige Aspekte ihrer Wachstumsverhaltens in verschiedenen Studien bereits betrachtet wurden, werden einige Wachstumsmodi noch immer kontrovers diskutiert. Zudem wurde bisher hauptsächlich das Wachstumsverhalten der chemisorbierten Monolage betrachtet, obwohl sich das Multilagenwachstum, zu dem es bisher keine systematischen Studien gibt, stark von dem Monolagenwachstum unterscheiden kann. Daher charakterisiert diese Arbeit das Wachstumsverhalten von TiOPc und CuPc vom Monolagen bis zum Multilagenbereich auf Gold und Silber, welche typischerweise als Elektrodenmaterialien in organischen Elektronikbauteilen verwendet werden. Für die Analyse wird ein Multitechnik-Ansatz gewählt, der den Erhalt detaillierter Informationen verschiedener Aspekte des Dünnfilmwachstums ermöglicht. Als Bildgebende Methoden werden Rastertunnelmikroskopie (STM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) verwendet, während Röntgenbeugung (XRD) die Bestimmung der Kristallinität, sowie der kristallinen und molekularen Orientierung ermöglicht. Diese Methoden werden ergänzt durch Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) für die Bestimmung der Bedeckung auf größerer Skala, sowie Nahkanten-Röntgen-Absorptions-Feinstruktur-Spektroskopie (NEXAFS) zur Ermittlung der molekularen Orientierung im Monolagenregime. Durch die Kombination dieser Techniken lässt sich ein umfassendes Bild des molekularen Dünnfilmwachstums erhalten. CuPc nimmt im Gegensatz zu anderen organischen Molekülen wie Pentacen eine liegende molekulare Orientierung nicht nur auf glatten Goldoberflächen, sondern auch auf auf mikroskopischer Skala angerauten, an. Während eine erhöhte Rauigkeit nur die Kristallinität der Dünnfilme verringert, erzeugt eine Verunreinigung der Oberfläche durch Luftkontakt eine molekulare Umorientierung. Eine Umorientierung lässt sich auch ab einer bestimmten Dünnfilmdicke beobachten, wenn die Kristallinität gering ist. Dies Effekt lässt sich durch die begrenzte Höhe kleiner Kristallite erklären, auf denen sich neue Kristalline Domänen mit stehender molekularer Orientierung ausbilden. Dabei erzeugt eine erhöhte Substrattemperatur zwar die Kristallinität, führt jedoch auch zu Entnetzungseffekten, die auf strukturellen Stress der Dünnfilme sowie Oberflächenenergieminimierung zurückzuführen sind. Die Analyse des TiOPc Dünnfilmwachstums auf Ag(111) zeigt hingehen ein komplett benetzendes Wachstum molekular glatter Domänen, die nur durch Gräben zwischen unterschiedlich azimutal orientierten Domänen getrennt sind. Diese Domänen Wachen in einem energetisch bevorzugten Bilagenweisen Wachstumsmodus und zeigen zudem eine Heteroepitaxie zum Substrat. Das von Zhu et al. Beobachtete Wachstum von Domänen mit verkippten Molekülen auf Au(111) konnte ausgeschlossen werden. Es bildet sich ausschließlich die Phase I mit einer liegenden molekularen Konfiguration aus, wie sie auch auf Ag(111) auftritt. Zusätzlich wurden anhand des gut charakterisierten Modellsystems von TiOPc Multilagen auf Ag(111) die experimentelle NEXAFS-Signatur von TiOPc mit dem zugehörigen Dichroismus im Detail untersucht. Die Signaturen an der C und N K-Kante sind dabei vergleichbar zu der anderer Phthalocyanine wie CuPc. Der Dichroismus ist jedoch aufgrund verkippter Übergangsdipolmomente an den C und N K-Kanten in dem nicht Planaren Molekül deutlich komplexer. Für den durch Vernachlässigung dieses Effekts entstehenden systematischen Fehler in der Auswertung von Dichroismen wird ein Modell entwickelt, der bei der Auswertung von Dichrosimen nicht planarer Moleküle helfen kann. Zusätzlich wird die O K-Kante zum ersten Mal im Detail untersucht, wodurch ein invertierter Dichroismus hervorgerufen durch unterschiedliche Zielzustände gezeigt werden konnte. Zusammenfassend konnte ein detailliertes Verständnis der Wachstumsmechanismen von Phthalocyaninen auf Gold- und Silberoberflächen gewonnen werden, welches durch zukünftige Studien erweitert werden kann, z.B. über den Effekt der Fluorierung von TiOPc. Auch wenn es noch weiterer Forschung bedarf, kann das gewonnene Verständnis genutzt werde um Modelle für das komplexe Wachstumsverhalten molekularer Dünnfilme zu verbessern. Für den Moment können anhand der hier gewonnenen Erkenntnisse Prozesse definiert werden um die gewünschte Dünnfilmstruktur von TiOPc, CuPc oder auch ähnlichen Phthalocyaninen zu erzeugen.
Physical Description:208 Pages
DOI:https://doi.org/10.17192/z2020.0510