This work presents a new approach of fabricating arrays of electrodes, separated by sub-micrometer gaps allowing the systematic investigation of electric properties of organic semiconductors. The laterally stacked devices are fabricated by using a trench isolation technique for separating different electrical potentials, as it is known for micromachining technologies like Single Crystal Reactive Ion Etching and Metallization (SCREAM). The essential part of this process is the patterning of sub-micrometer trenches onto the silicon substrate in a single lithographic step. Afterwards, the trenches are refilled by SiO2 to allow the precise tuning of the electrode separation gap. The metal electrodes are formed via magnetron sputtering. This technological approach allows us to fabricate device structures with a transport channel length in the range of 100-250 nm by conventional photolithography. In this experiment, three different metals like Au, Co, and Ni were used as the electrode materials, while copper phthalocyanine, being deposited by thermal evaporation in high vacuum, was employed as the organic semiconductor under evaluation. The final aim has been study of spin transport through the organic channel in varied geometry.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Langzeitstabilität organischer Solarzellen. Die Solarzellen als Gegenstand dieser Untersuchungen sind dabei aus Materialien aufgebaut, die mittels thermischer Gasphasenabscheidung im Vakuum hergestellt werden. Das unterscheidet diese von vielen in der Literatur vorgestellten Alterungsstudien, die Polymersolarzellen behandeln. Als Standardsystem werden einfache pii-Bauelemente ausgewählt, die in ZnPc und C60 zwei gut untersuchte Materialien in der aktiven Donor-Akzeptor-Schicht nutzen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind dabei in drei Kapiteln zusammengefasst. In Kapitel 5 wird untersucht, wie sich verschiedene Faktoren auf die Lebensdauer der Solarzellen auswirken. Für verkapselte Solarzellen mit MeO-TPD in der Lochtransportschicht wird die thermische Beschleunigung der Degradation mit einem Arrhenius’schen Verhalten beschrieben und eine Aktivierungsenergie EA=712 meV gefunden. Aus dieser Beschreibung wird für verkapselte Solarzelle bei 100 mW cm-2 und 45°C eine Lebensdauer von 62.000 h extrapoliert, die experimentell nicht verifiziert werden kann. Auch der Einfluss der Beleuchtungsintensität auf die Degradationsgeschwindigkeit wird untersucht und kann systematisch erklärt werden: Die Beschleunigung, die sich aus einer Erhöhung der Intensität weißen Lichtes ergibt, kann beschrieben werden, indem man die Anzahl extrahierter Ladungsträger berechnet. Bei Alterungen unter verschiedene Intensitäten ist diese Zahl identisch, wenn man die Messung bei gleichem Grad der Degradation betrachtet. Diese Modell kann auch auf monochromatische Beleuchtung ausgedehnt werden und es zeigt sich bei einem Vergleich über alle untersuchten Wellenlängen, dass der Anstieg der fallenden Kurven umso steiler wird, je höher die kürzeste Wellenlänge des jeweiligen Spektrums ist. Der zweite Teil dieses Kapitels ist der Degradation unverkapselter Solarzellen mit BF-DPB als Lochtransportmaterial gewidmet. Durch Variation von Temperatur und relativer Luftfeuchte konnten beide Einflussfaktoren in einem kombinierten Modell, dem Peck-Modell, zusammengefasst werden. Dieses wurde bisher nicht zur Beschreibung des Degradationsverhaltens von Solarzellen verwendet. Eine Vorhersage der Lebensdauer bei beliebigen Werten für beide Parameter ist somit möglich. Deutlich sticht in diesem Experiment hervor, dass die Anwesenheit von Wasser die Degradation klar dominiert. Darauf folgen Messungen, bei denen die Wasserpermeationsrate (WVTR) der Verkapselung variiert wird. Dabei stellt sich heraus, dass diese besser als 10-3 g m-2 d-1 sein muss, um die Stabilität zu verbessern. Durch eine Trennung der WVTR der äußeren Barriere und jener der Aluminiumelektrode ist es möglich, den Wert WVTR(Al) zu ermitteln. Dieser beträgt 8 x10-4 g m-2 d-1. Zusätzlich kann die Wassermenge, die benötigt wird, um die untersuch-ten Solarzelle auf 50% des Startwertes zu degradieren, zu 10 mg m2 bestimmt werden. Kapitel 6 zeigt eine umfassende Charakterisierung von an Luft degradierten Solarzellen. Mit den chemischen Analysemethoden TOF-SIMS und LDI-TOF-MS können mehrere Reaktionen der verwendeten Materialien mit Luft identifiziert werden. Dabei sticht die Oxidation der BPhen-Aluminium-Grenzschicht, die zur Bildung von Al2O3 führt, hervor. Weitere Reaktionsprodukte, vor allem in Verbindung mit Fluor, welches aus der Zersetzung von C60F36 stammt, werden gezeigt. Die Oxidation der Organik-Aluminium-Grenzschicht kann mit Hilfe von Elektrolumineszenzmessungen untersucht werden. Bei diesen zeigt sich, dass die Abnahme der aktiven Fläche in vollem Umfang Ursache für die Reduktion der Kurzschlussstromdichte ist. Als Eintrittskanäle für Sauerstoff und Wasser werden neben pinholes auch die Seitenkanten der Solarzelle identifiziert. Hinweise für die flächige Diffusion von Wasser werden zusätzlich erbracht. Erster Ansatz zur Verbesserung der Langzeitstabilität ist der Austausch von BPhen durch ein dotiertes Elektronen-transportmaterial. Eine Variation von fünf Materialien zeigt, dass ein Zusammenhang zwischen Rauigkeit dieses Materials und der Lebensdauer besteht: So werden die besten Stabilität für Materialien wie C60 und Bis-HFl-NTCDI gezeigt, die mit einer geringen Rauigkeit aufwachsen. Die Lebensdauer beträgt am Beispiel von Bis-HFl-NTCDI bei [T=65°C; rH=2,2%] T50=762 h und ist damit etwa viermal so groß wie bei Verwendung von BPhen. Weitere Optimierungsversuche, zum Beispiel durch Variation der Elektrode, des p-Dotanden, oder der Invertierung der Struktur zeigen zwar zusätzliche Degradationspfade auf, führen aber zu keiner Verbesserung der Stabilität. Auf Basis zuvor durchgeführter Überlegungen zu Redoxreaktionen (organischer) Materialien mit Wasser und Sauerstoff wird zum Abschluss der Arbeit ein möglicher Aufbau für luftstabile organische Solarzellen vorgeschlagen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Organische Halbleiter 2.2 Grundlagen der Photovoltaik 2.3 Quasi-Fermi-Niveaus & Würfel-Modell 2.4 Organische Solarzellen 3 Grundlagen zu Langzeitmessungen 3.1 Anforderungen an organische Solarzellen 3.2 Materialien 4 Experimentelle Grundlagen 4.1 Herstellung der Solarzellen und Ca-Tests 4.2 Verkapselung 4.3 Charakterisierungsmethoden 4.4 Alterungsmessungen 4.5 Verwendeter Probenaufbau 5 Variation der Alterungsbedingungen 5.1 Alterung in Inertatmosphäre 5.2 Alterung in Anwesenheit von Luft 5.3 Korrelation von Laborbewitterung und Außenmessung 5.4 Zusammenfassung 6 Charakterisierung gealterter Solarzellen 6.1 TOF-SIMS 6.2 UI-Kennlinien, EQE und Absorption 6.3 Elektrolumineszenzmessungen 6.4 Elektrische Simulation 6.5 LDI-TOF-MS 6.6 Zusammenfassung 7 Optimierung der Lebensdauer 7.1 Variation der Elektronentransportschicht in pin-Solarzellen 7.1.5.2 Rauigkeit 7.1.6 Zusammenfassung 7.2 Invertierte Struktur: pin vs. nip 7.3 Variation des Deckkontaktes 7.4 Variationen in der Lochtransportschicht 7.5 Zusammenfassung: Optimierung der Lebensdauer 8 Zusammenfassung und Ausblick 8.1 Zusammenfassung 8.2 Ausblick

Diese Arbeit stellt eine eingehende Studie des sogenannten Vertikalen Organischen Feld-Effekt-Transistors (VOFET) dar, einer neuen Transistor-Geometrie, welche dem stetig wachsenden Bereich der organischen Elektronik entspringt. Dieses neuartige Bauteil hat bereits bewiesen, dass es in der Lage ist, eine der fundamentalen Einschränkungen herkömmlicher organischer Feld-Effekt-Transistoren (OFETs) zu überwinden: Die für Schaltfrequenz und An-Strom wichtige Kanallänge des Transistors kann im VOFET stark reduziert werden, ohne dass teure und komplexe Strukturierungsmethoden genutzt werden müssen. Das genaue Funktionsprinzip des VOFET ist bisher jedoch weitgehend unerforscht. Durch den Vergleich von experimentellen Daten mit Simulationsdaten des erwarteten Bauteil-Verhaltens wird hier ein erstes, grundlegendes Verständnis des VOFETs erarbeitet. Die so gewonnenen Erkenntnisse werden im Folgenden genutzt, um bestimmte Parameter des VOFETs kontrolliert zu manipulieren. So wird beispielsweise gezeigt, dass die Morphologie des organischen Halbleiters, und damit seine Abscheidungsparameter, sowohl für die VOFET-Herstellung als auch für den Ladungsträgertransport im fertigen Bauteil eine wichtige Rolle spielen. Weiterhin wird gezeigt, dass der VOFET, genau wie der konventionelle OFET, durch das Einbringen von Kontaktdotierung deutlich verbessert werden kann. Mit Hilfe dieser Ergebnisse kann gezeigt werden, dass das Funktionsprinzip des VOFETs mit dem eines konventionellen OFETs nahezu identisch ist, wenn man von geringen Abweichungen aufgrund der unterschiedlichen Geometrien absieht. Basierend auf dieser Erkenntnis wird schließlich ein VOFET präsentiert, welcher im Inversionsmodus betrieben werden kann und so die Lücke zur konventionellen MOSFET-Technologie schließt. Dieser Inversions-VOFET stellt folglich einen vielversprechenden Ansatz für leistungsfähige organische Transistoren dar, welche als Grundbausteine für komplexe Elektronikanwendungen auf flexiblen Substraten genutzt werden können.:Zusammenfassung 5 Abstract 6 Publications 13 Introduction 17 Basic Principles of Organic Semiconductors and Related Devices 23 1. The Physics of Organic Semiconductors 25 1.1. Electronic and structural properties of organic semiconductors 28 1.2. Charge carrier transport 34 1.3. Doping of organic semiconductors 43 2. Organic field-effect transistors 47 2.1. Operational principle 50 2.2. Functional interfaces in OFETs 55 2.3. Contact resistance and short-channel effects in OFETs 60 2.4. Applications of OFETs and related devices 65 3. Vertical organic transistors 77 3.1. Organic permeable-base transistors (OPBTs) and organic static induction transistors (OSITs) 81 3.2. Organic Schottky barrier transistors (OSBTs) 85 3.3. Vertical organic field-effect transistors (VOFETs) 90 Study of the Vertical Organic Field-Effect Transistor 97 4. Methods and Materials 99 4.1. Materials 101 4.2. Sample preparation 104 4.3. Sample characterisation 110 5. Material Optimisation for VOFETs 121 5.1. Variation of the source insulator 123 5.2. Effects of the pentacene morphology 133 5.3. Summary 137 6. Charge Transport in the VOFET 139 6.1. Simulating current flow in the VOFET 141 6.2. The vertical channel 154 6.3. Charge transport in pentacene 161 6.4. Effects of mobility and layer thickness in pentacene VOFETs 167 6.5. Summary 175 7. Doping Concepts for VOFETs 177 7.1. Doping of the bulk regions 179 7.2. Selective contact doping 183 7.3.Impact on the understanding of VOFET operation 194 7.4. Summary 198 8. Vertical Organic Inversion Transistors 201 8.1. Discussion of suitable material systems 204 8.2. Realising inversion VOFETs 207 8.3. Summary 212 9. Conclusion and Outlook 215 9.1. Conclusion 217 9.2. Outlook 219 Appendix 221 A. XRD spectra of pentacene films 223 B. Additional simulation data 227 Bibliography 229 Addresses 257 Important Symbols, Constants and Abbreviations 263 List of Figures 271 Acknowledgements 283 / This work represents a comprehensive study of the so-called vertical organic field-effect transistor (VOFET), a novel transistor geometry originating from the fast-growing field of organic electronics. This device has already demonstrated its potential to overcome one of the fundamental limitations met in conventional organic transistor architectures (OFETs): In the VOFET, it is possible to reduce the channel length and thus increase On-state current and switching frequency without using expensive and complex structuring methods. Yet the VOFET's operational principles are presently not understood in full detail. By simulating the expected device behaviour and correlating it with experimental findings, a basic understanding of the charge transport in VOFETs is established and this knowledge is subsequently applied in order to manipulate certain parameters and materials in the VOFET. In particular, it is found that the morphology, and thus the deposition parameters, of the organic semiconductor play an important role, both for a successful VOFET fabrication and for the charge transport in the finished device. Furthermore, it is shown that VOFETs, just like their conventional counterparts, are greatly improved by the application of contact doping. This result, in turn, is used to demonstrate that the VOFET essentially works in almost exactly the same way as a conventional OFET, with only minor changes due to the altered contact arrangement. Working from this realisation, a vertical organic transistor is developed which operates in the inversion regime, thus closing the gap to conventional MOSFET technology and providing a truly promising candidate for high-performance organic transistors as the building blocks for advanced, flexible electronics applications.:Zusammenfassung 5 Abstract 6 Publications 13 Introduction 17 Basic Principles of Organic Semiconductors and Related Devices 23 1. The Physics of Organic Semiconductors 25 1.1. Electronic and structural properties of organic semiconductors 28 1.2. Charge carrier transport 34 1.3. Doping of organic semiconductors 43 2. Organic field-effect transistors 47 2.1. Operational principle 50 2.2. Functional interfaces in OFETs 55 2.3. Contact resistance and short-channel effects in OFETs 60 2.4. Applications of OFETs and related devices 65 3. Vertical organic transistors 77 3.1. Organic permeable-base transistors (OPBTs) and organic static induction transistors (OSITs) 81 3.2. Organic Schottky barrier transistors (OSBTs) 85 3.3. Vertical organic field-effect transistors (VOFETs) 90 Study of the Vertical Organic Field-Effect Transistor 97 4. Methods and Materials 99 4.1. Materials 101 4.2. Sample preparation 104 4.3. Sample characterisation 110 5. Material Optimisation for VOFETs 121 5.1. Variation of the source insulator 123 5.2. Effects of the pentacene morphology 133 5.3. Summary 137 6. Charge Transport in the VOFET 139 6.1. Simulating current flow in the VOFET 141 6.2. The vertical channel 154 6.3. Charge transport in pentacene 161 6.4. Effects of mobility and layer thickness in pentacene VOFETs 167 6.5. Summary 175 7. Doping Concepts for VOFETs 177 7.1. Doping of the bulk regions 179 7.2. Selective contact doping 183 7.3.Impact on the understanding of VOFET operation 194 7.4. Summary 198 8. Vertical Organic Inversion Transistors 201 8.1. Discussion of suitable material systems 204 8.2. Realising inversion VOFETs 207 8.3. Summary 212 9. Conclusion and Outlook 215 9.1. Conclusion 217 9.2. Outlook 219 Appendix 221 A. XRD spectra of pentacene films 223 B. Additional simulation data 227 Bibliography 229 Addresses 257 Important Symbols, Constants and Abbreviations 263 List of Figures 271 Acknowledgements 283

Der Einsatz von organischen Materialien, insbesondere von Polymeren, hat zahlreiche Vorteile gegenüber dem Einsatz klassischer Materialien in der Mikroelektronik. Zu diesen zählen Flexibilität, geringes Gewicht, Verarbeitbarkeit durch Verfahren aus Lösung bei Raumtemperatur ohne Notwendigkeit vakuumbasierter Prozesse zur Abscheidung und vieles mehr. Dies ermöglicht eine energie- und kosteneffiziente Herstellung elektronischer Bauteile wie organische Feldeffekttransistoren (OFETs) oder Leuchtdioden (OLEDs), welche durch Prozesse wie dem Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren nicht länger auf kleine Flächen begrenzt sind. Zur Herstellung polymerbasierter OFETs mit optimiertem Eigenschaftsprofil sind neben innovativen Halbleitern vor allem auch neue Dielektrika mit verbesserten elektrischen Eigenschaften erforderlich, zu deren Entwicklung die vorliegende Arbeit beitragen sollte. Das häufig verwendete Polymethylmethacrylat ist für den Einsatz als Gate-Dielektrikum für die organische und gedruckte Elektronik nur bedingt geeignet. Es zeigt einige Nachteile wie eine mangelnde Stabilität gegenüber bestimmten organischen Lösungsmitteln, was zu Quellung oder Anlösen des Dielektrikums während des Aufbringens weiterer Schichten führen kann. Durch Copolymerisation von Methylmethacrylat mit funktionalisierten Comonomeren sollten die Probleme gelöst und optimierte Methacrylat-Copolymere entwickelt werden. Die Copolymere wurden über freie radikalische sowie RAFT-Polymerisation synthetisiert. Allen gemeinsam sind vernetzbare Comonomere, um die Lösungsmittelstabilität zu verbessern und somit die Durchbruchfeldstärke des Dielektrikums zu erhöhen. Als Vernetzer wurden 4-Benzoylphenylmethacrylat (BPMA) oder Propargylmethacrylat (PgMA) gewählt. BPMA ist UV-vernetzbar, Copolymere mit PgMA können in Gegenwart von mehrfunktionalen Aziden wie 1,3,5-Tris(azidomethyl)benzen (TAMB) durch Click-Reaktion thermisch vernetzt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Erhöhung der relativen Permittivität des Dielektrikums zur Steigerung der Kapazität der dielektrischen Schicht, wodurch unter anderem die Betriebsspannung des Transistors reduziert werden kann. Dieses Ziel sollte durch Komposite mit BaTiO3-Nanopartikeln erreicht werden. Zusätzlich zur Steigerung der Permittivität kann dies durch Verringerung der Filmdicke realisiert werden, was jedoch vermehrt zu Leckströmen führen könnte. Neben den dielektrischen Materialeigenschaften spielt vor allem auch die Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Halbleiter eine wesentliche Rolle. Um die Interaktionen an dieser zu verbessern, wurden Comonomere mit selbstorganisierenden Seitenketten in die Polymerstruktur eingebracht. Die Kombination dieser Dielektrika mit chemisch angepassten Halbleitern mit vergleichbaren Seitenkettenfunktionalitäten soll dazu führen, dass die beiden Komponenten durch die Seitenketten verstärkt miteinander wechselwirken. Monomersynthesen sowie anschließende Copolymerisationen waren in hohen Ausbeuten und ausreichenden Molmassen bezüglich der Copolymere erfolgreich. Die strahleninduzierte Vernetzung konnte durch systematische Untersuchungen optimiert und die thermische Vernetzung bei moderaten Temperaturen nachgewiesen werden. Die Vernetzbarkeit von Copolymeren mit selbstorganisierenden Seitenketten erwies sich als gehindert. Hierfür wurde ein Vorschlag zur Erhöhung der Flexibilität der Vernetzerseitenkette unterbreitet. Für die Copolymere P(MMA/BPMA) und P(MMA/PgMA) konnten die Durchbruchfeldstärken in Folge der Vernetzung von < 0.3 MV/cm für PMMA auf bis zu mehr als 5 MV/cm gesteigert werden. BaTiO3-Nanopartikel konnten durch geeignete Methoden erfolgreich synthetisiert werden. Durch Variation der Reaktionsbedingungen war eine gezielte Steuerung der Primärpartikelgröße möglich. So wurden Partikel der Größe < 10 nm, 26 nm und 55 nm realisiert. Die Dispersion der Partikel in organischen Lösungsmitteln sowie in der Polymermatrix war stark abhängig von der Größe der Primärartikel, der Oberflächenmodifikation sowie der Neigung zur Agglomeration. Modifizierte Partikel mit einem Durchmesser < 10 nm konnten sehr gut in Lösungsmitteln wie auch in der Polymermatrix dispergiert werden (Abbildung 2). Eine Steigerung der relativen Permittivität der Nanokomposite blieb jedoch aufgrund der zu geringen Größe der Primärpartikel aus. Darüber hinaus wurden deutlich schlechtere Durchbruchfeldstärken beobachtet. Copolymere mit der Fähigkeit zur Selbstorganisation sollten durch zwei Konzepte realisiert werden. Im ersten System führte die Polymerisation von x-[4-(4´-Cyanophenyl)phenoxy]alkylmethacrylaten mit Spacerlängen von x = 6 und x = 8 nur in Homopolymeren zu ausgeprägter Selbstorganisation. Copolymere mit 50 mol% waren weitgehend isotrop und wiesen zudem ungenügende dielektrische Eigenschaften auf. Das zweite System basiert auf semifluorierten Methacrylat-Copolymeren mit H10F10-Seitenketten (10 CH2- und 10 CF2-Gruppen). Diese zeigten schon ab einem Gehalt von circa 35 mol% gute Selbstorganisation und bildeten ein geordnetes alternierendes Schichtsystem aus Haupt- und Seitenketten im Bulk und in dünnen Filmen. Die dielektrischen Eigenschaften können mit denen bekannter fluorierter Polymerdielektrika wie CYTOP konkurrieren. Damit stehen die semifluorierten Copolymere zukunftsorientiert zur Kombination mit Halbleitern, welche die gleichen Seitenkettenfunktionalitäten tragen, bereit, um so durch starke Interaktionen zwischen Dielektrikum und Halbleiter die Grenzfläche zu optimieren. Mit thermisch vernetztem P(MMA/PgMA) konnten OFETs mit den Halbleitern Pentacen bzw. C60 erfolgreich hergestellt und vermessen werden. Beide Transistoren liefern gute und mit Literaturwerten vergleichbare Kenngrößen. Die Ladungsträgermobilitäten und Ion/Ioff-Verhältnisse betragen 0.3 cm²/Vs und 6.0x10^5 im Pentacen-basierten Transistor beziehungsweise 1.3 cm²/Vs und 4.4x10^5 im OFET mit dem Halbleiter C60. Damit konnte in dieser Arbeit die Steigerung der Durchbruchfeldstärke durch geeignete Vernetzung der Copolymere realisiert werden. Die thermische Vernetzung fand bei deutlich geringeren Temperaturen als zahlreiche in der Literatur beschriebene Reaktionen statt. Die Synthese und Modifizierung von BaTiO3-Nanopartikeln und auch die Bildung entsprechender PMMA-BaTiO3-Nanokomposite war erfolgreich, führte jedoch nicht wie erwartet zu einer Steigerung der relativen Permittivität der Dielektrika-Schichten. Vernetzbare und selbstorganisierende semifluorierte Methacrylat-Copolymere konnten polymerisiert und charakterisiert werden und stehen als innovative dielektrische Materialien für Untersuchungen in OFETs zur Verfügung. Das Copolymer P(MMA/PgMA) wurde zielführend in organischen Feldeffekttransistoren eingesetzt und führte zu guten elektrischen Eigenschaften der Bauteile.

Organic semiconductors have witnessed a prolific boom for their potential in the manufacturing of lightweight, flexible, and even biocompatible electronics. One of the fields of research that has yet to benefit from organic semiconductors is high temperature electronics. The lightweight nature and robust processability is attractive for applications such as aerospace engineering, which require high temperature stability, but little has been reported on taking such a leap because charge transport is temperature dependent and commonly unstable at elevated temperatures in organics. Historically, mechanistic studies have been bound to low temperature regimes where structural disorders are minimal in most materials. Discussed here is a blending approach to render semiconducting polymer thin films thermally stable in unprecedented operation temperature ranges for organic materials. We found that by utilizing highly rigid host materials, semiconducting polymer domains could be confined, thus improving their molecular and microstructural ordering, and a thermally stable charge transport could be realized up to 220°C. With this blending approach, all-plastic high temperature electronics that are extremely stable could also be demonstrated. In efforts to establish a universal route towards forming thermally stable semiconducting blends, we found that the molecular weight of conjugated polymer plays a crucial role on the miscibility of the blends. Finally, we found that the choice of the host matrix ought to consider the charge trapping nature of the insulator.<br>

Anyone who decides to buy a new mobile phone today is likely to buy a screen made from organic light-emitting diodes (OLEDs). OLEDs are a relatively new display technology and will probably account for the largest market share in the upcoming years. This is due to their brilliant colors, high achievable display resolution, and comparably simple processing. Since they are not based on the rigid crystal structure of classical semiconductors and can be produced as planar thin-film modules, they also enable the fabrication of large-area lamps on flexible substrates – an attractive scenario for future lighting systems. Despite these promising properties, the breakthrough of OLED lighting technology is still pending and requires further research. The charge-carrier dynamics in an OLED determine its device functionality and, therefore, enable the understanding of fundamental physical concepts and phenomena. From the description of charge-carrier dynamics, this work derives experimental methods and device concepts to optimize the efficiency and stability of OLEDs. OLEDs feature an electric current of charge carriers (electrons and holes) that are intended to recombine under the emission of light. This process is preceded by charge-carrier injection and their transport to the emission layer. These three aspects are discussed together in this work. First, a method is presented that quantifies injection resistances using a simple experiment. It provides a valuable opportunity to better understand and optimize injection layers. Subsequently, the charge carrier transport at high electrical currents, as required for OLEDs as bright lighting elements, will be investigated. Here, electro-thermal effects are presented that form physical limits for the design and function of OLED modules and explain their sudden failure. Finally, the dynamics and recombination of electro-statically bound charge carrier pairs, so-called excitons, are examined. Various options are presented for manipulating exciton dynamics in such a way that the emission behavior of the OLED can be adjusted according to specific requirements.:List of publications . . . . . . . . . . . . . . . . . v List of abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . ix 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1 Light sources and the human society . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Human light perception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2 Physical light quantification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.3 Non-visual light impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.4 Implications for modern light sources . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 Organic semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 Molecular energy states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.2 Intramolecular state transitions . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.3 Molecular films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.4 Electrical doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.5 Charge-carrier transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.6 Exciton formation and recombination . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.7 Exciton transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3 Organic light-emitting diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.1 Structure and operation principle . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.2 Metal-semiconductor interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3.3 Typical operation characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.4 Colloidal nanocrystal emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.4.1 Terminology: Nanocrystals and quantum dots . . . . . . . . 52 2.4.2 The particle-in-a-box model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.4.3 Surface passivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1.1 OLED materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1.2 Materials for photoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.2 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.1 Thermal evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.2 Solution processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3 Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.1 Absorbance spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.2 Photoluminescence quantum yield . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.3 Excitation sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.3.4 Sensitive EQE for absorber materials . . . . . . . . . . . . . 68 3.4 Exciton-lifetime analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.1 Triplet lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.2 Singlet-state lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4.3 Lifetime extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.5 OLED characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.5.1 Current-voltage-luminance and quantum efficiency . . . . . . 73 3.5.2 Temperature-controlled evaluation . . . . . . . . . . . . . . . 74 4 Charge-carrier injection into doped organic films . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.1 Ohmic injection contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.2 Device architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.1 Conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.2 Device symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.3 Device homogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3 Resistance characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3.1 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3.2 Equivalent-circuit development . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.4 Impedance spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4.1 Measurement fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4.2 Thickness dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.3 Temperature dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.5 Depletion zone variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.6 Molybdenum oxide as a case study . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5 Charge-carrier transport and self-heating in OLED lighting . . . . . . . . . . . . . . . . .101 5.1 Joule self-heating in OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.1.1 Electrothermal feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.1.2 Thermistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.1.3 Cooling strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2 Self-heating causes lateral luminance inhomogeneities in OLEDs . . 108 5.2.1 The influence of transparent electrodes . . . . . . . . . . . . 108 5.2.2 Luminance inhomogeneities in large OLED panels . . . . . . 110 5.3 Electrothermal OLED models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.3.1 Perceiving an OLED as thermistor array . . . . . . . . . . . 112 5.3.2 The OLED as a single three-layer thermistor . . . . . . . . . 114 5.3.3 A numerical 3D model of heat and current flow . . . . . . . 116 5.4 OLED stack and experimental conception . . . . . . . . . . . . . . 118 5.5 The Switch-back effect in planar light sources . . . . . . . . . . . . 120 5.5.1 Predictions from numerical 3D modeling . . . . . . . . . . . 121 5.5.2 Experimental proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.5.3 Variation of vertical heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.5.4 Variation of the OLED area . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.6 Electrothermal tristabilities in OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.6.1 Observing different burn-in schematics . . . . . . . . . . . . 133 5.6.2 Bistability and tristability in organic semiconductors . . . . 134 5.6.3 Experimental indications for attempted branch hopping . . . 138 5.6.4 Saving bright OLEDs from burning in . . . . . . . . . . . . 144 5.6.5 Taking another view onto the camera pictures . . . . . . . . 145 6 Charge-carrier recombination and exciton management . . . . . . . . . . . . . . . . .147 6.1 Optical down conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.1.1 Spectral reshaping of visible OLEDs . . . . . . . . . . . . . 149 6.1.2 Infrared-emitting OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.2 Dual-state Förster transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.2.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.2.2 Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.3 Singlet fission and triplet fusion in rubrene . . . . . . . . . . . . . . 161 6.3.1 Photoluminescence of pure and doped rubrene films . . . . . 163 6.3.2 Electroluminescence transients of rubrene OLEDs . . . . . . 172 6.4 Charge transfer-state tuning by electric fields . . . . . . . . . . . . . 177 6.4.1 CT-state tuning via doping variation . . . . . . . . . . . . . 177 6.4.2 CT-state tuning via voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 6.5 Excursus: Exciton-spin mixing for wavelength identification . . . . 183 6.5.1 Characteristics of the active film . . . . . . . . . . . . . . . . 184 6.5.2 Conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 6.5.3 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 6.5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 6.5.5 Application demonstrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 6.5.6 All-organic device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 6.5.7 Device limitations and prospects . . . . . . . . . . . . . . . . 198 7 Conclusion and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 7.1 Charge-carrier injection into doped films . . . . . . . . . . . . . . . 207 7.2 Charge-carrier transport in hot OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . 208 7.2.1 Prospects for OLED lighting facing tristable behavior . . . . 209 7.2.2 Outlook: Accessing the hidden PDR 2 region . . . . . . . . . 210 7.3 Charge-carrier recombination and spin mixing . . . . . . . . . . . . 211 7.3.1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 7.3.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . 249 / Wer sich heute für ein neues Mobiltelefon entscheidet, kauft damit wahrscheinlich einen Bildschirm aus organischen Leuchtdioden (OLEDs). Durch ihre brillanten Farben, die hohe erreichbare Auflösung und eine vergleichsweise einfache Prozessierung werden OLEDs als relativ neue Bildschirmtechnologie in den nächsten Jahren wohl den größten Marktanteil ausmachen. Da sie nicht auf der starren Kristallstruktur klassischer Halbleiter beruhen und als planare Dünnschichtmodule produziert werden können, ermöglichen sie außerdem die Fertigung großer Flächenstrahler auf flexiblen Substraten – ein sehr attraktives Szenario für zukünftige Beleuchtungssysteme. Trotz dieser vielversprechenden Eigenschaften steht der Durchbruch der OLED-Technologie als Leuchtmittel noch aus und erfordert weitere Forschung. Die Dynamik der Ladungsträger (Elektronen und Löcher) in einer OLED charakterisiert wichtige Teile der Bauteilfunktion und ermöglicht daher das Verständnis grundlegender physikalischer Konzepte und Phänomene. Diese Arbeit leitet anhand dieser Beschreibung experimentelle Methoden und Bauteilkonzepte ab, um die Effizienz und Stabilität von OLEDs zu optimieren. OLEDs zeichnen sich dadurch aus, dass ein elektrischer Strom aus Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) möglichst effizient unter Aussendung von Licht rekombiniert. Diesem Prozess geht eine Ladungsträgerinjektion und deren Transport zur Emissionsschicht voraus. Diese drei Aspekte werden in dieser Arbeit zusammenhängend diskutiert. Als erstes wird eine Methode vorgestellt, die Injektionswiderstände anhand eines einfachen Experimentes quantifiziert. Sie bildet eine wertvolle Möglichkeit, Injektionsschichten besser zu verstehen und zu optimieren. Anschließend wird der Ladungsträgertransport bei hohen elektrischen Strömen untersucht, wie sie für OLEDs als helle Beleuchtungselemente nötig sind. Hier werden elektro-thermische Effekte vorgestellt, die physikalische Grenzen für das Design und die Funktion von OLED Modulen bilden und deren plötzliches Versagen erklären. Abschließend wird die Dynamik der stark elektrostatisch gebundenen Ladungsträgerpaare, sogenannter Exzitonen, kurz vor deren Rekombination untersucht. Es werden verschiedene Möglichkeiten vorgestellt sie so zu manipulieren, dass sich das Abstrahlverhalten der OLED anhand bestimmter Anforderungen einstellen lässt.:List of publications . . . . . . . . . . . . . . . . . v List of abbreviations . . . . . . . . . . . . . . . . . ix 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1 Light sources and the human society . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1 Human light perception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.1.2 Physical light quantification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.1.3 Non-visual light impact . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.1.4 Implications for modern light sources . . . . . . . . . . . . . 15 2.2 Organic semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 2.2.1 Molecular energy states . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2.2 Intramolecular state transitions . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.3 Molecular films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 2.2.4 Electrical doping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 2.2.5 Charge-carrier transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2.6 Exciton formation and recombination . . . . . . . . . . . . . 38 2.2.7 Exciton transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 2.3 Organic light-emitting diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.1 Structure and operation principle . . . . . . . . . . . . . . . 44 2.3.2 Metal-semiconductor interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . 47 2.3.3 Typical operation characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 49 2.4 Colloidal nanocrystal emitters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 2.4.1 Terminology: Nanocrystals and quantum dots . . . . . . . . 52 2.4.2 The particle-in-a-box model . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 2.4.3 Surface passivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 3 Materials and methods . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1 Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1.1 OLED materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 3.1.2 Materials for photoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . 60 3.2 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.1 Thermal evaporation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 3.2.2 Solution processing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 3.3 Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.1 Absorbance spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.2 Photoluminescence quantum yield . . . . . . . . . . . . . . . 66 3.3.3 Excitation sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 3.3.4 Sensitive EQE for absorber materials . . . . . . . . . . . . . 68 3.4 Exciton-lifetime analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.1 Triplet lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.4.2 Singlet-state lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.4.3 Lifetime extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 3.5 OLED characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 3.5.1 Current-voltage-luminance and quantum efficiency . . . . . . 73 3.5.2 Temperature-controlled evaluation . . . . . . . . . . . . . . . 74 4 Charge-carrier injection into doped organic films . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 4.1 Ohmic injection contacts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 4.2 Device architecture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.1 Conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.2 Device symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 4.2.3 Device homogeneity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 4.3 Resistance characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3.1 Experimental results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4.3.2 Equivalent-circuit development . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.4 Impedance spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4.1 Measurement fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92 4.4.2 Thickness dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 4.4.3 Temperature dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.5 Depletion zone variation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 4.6 Molybdenum oxide as a case study . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 5 Charge-carrier transport and self-heating in OLED lighting . . . . . . . . . . . . . . . . .101 5.1 Joule self-heating in OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.1.1 Electrothermal feedback . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 5.1.2 Thermistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 5.1.3 Cooling strategies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 5.2 Self-heating causes lateral luminance inhomogeneities in OLEDs . . 108 5.2.1 The influence of transparent electrodes . . . . . . . . . . . . 108 5.2.2 Luminance inhomogeneities in large OLED panels . . . . . . 110 5.3 Electrothermal OLED models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112 5.3.1 Perceiving an OLED as thermistor array . . . . . . . . . . . 112 5.3.2 The OLED as a single three-layer thermistor . . . . . . . . . 114 5.3.3 A numerical 3D model of heat and current flow . . . . . . . 116 5.4 OLED stack and experimental conception . . . . . . . . . . . . . . 118 5.5 The Switch-back effect in planar light sources . . . . . . . . . . . . 120 5.5.1 Predictions from numerical 3D modeling . . . . . . . . . . . 121 5.5.2 Experimental proof . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124 5.5.3 Variation of vertical heat flux . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 5.5.4 Variation of the OLED area . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131 5.6 Electrothermal tristabilities in OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . 133 5.6.1 Observing different burn-in schematics . . . . . . . . . . . . 133 5.6.2 Bistability and tristability in organic semiconductors . . . . 134 5.6.3 Experimental indications for attempted branch hopping . . . 138 5.6.4 Saving bright OLEDs from burning in . . . . . . . . . . . . 144 5.6.5 Taking another view onto the camera pictures . . . . . . . . 145 6 Charge-carrier recombination and exciton management . . . . . . . . . . . . . . . . .147 6.1 Optical down conversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149 6.1.1 Spectral reshaping of visible OLEDs . . . . . . . . . . . . . 149 6.1.2 Infrared-emitting OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.2 Dual-state Förster transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.2.1 Terminology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158 6.2.2 Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159 6.3 Singlet fission and triplet fusion in rubrene . . . . . . . . . . . . . . 161 6.3.1 Photoluminescence of pure and doped rubrene films . . . . . 163 6.3.2 Electroluminescence transients of rubrene OLEDs . . . . . . 172 6.4 Charge transfer-state tuning by electric fields . . . . . . . . . . . . . 177 6.4.1 CT-state tuning via doping variation . . . . . . . . . . . . . 177 6.4.2 CT-state tuning via voltage . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 6.5 Excursus: Exciton-spin mixing for wavelength identification . . . . 183 6.5.1 Characteristics of the active film . . . . . . . . . . . . . . . . 184 6.5.2 Conception . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186 6.5.3 Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 187 6.5.4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188 6.5.5 Application demonstrations . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192 6.5.6 All-organic device . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195 6.5.7 Device limitations and prospects . . . . . . . . . . . . . . . . 198 7 Conclusion and outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . 207 7.1 Charge-carrier injection into doped films . . . . . . . . . . . . . . . 207 7.2 Charge-carrier transport in hot OLEDs . . . . . . . . . . . . . . . . 208 7.2.1 Prospects for OLED lighting facing tristable behavior . . . . 209 7.2.2 Outlook: Accessing the hidden PDR 2 region . . . . . . . . . 210 7.3 Charge-carrier recombination and spin mixing . . . . . . . . . . . . 211 7.3.1 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 7.3.2 Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211 Bibliography. . . . . . . . . . . . . . . . . 215 Acknowledgements . . . . . . . . . . . . . . . . . 249

<p dir="ltr">Conducting polymers have garnered enormous attention due to their unique properties, including tunable chemical structure, high flexibility, solution processability, and biocompatibility. They hold promising applications in flexible electronics, renewable energies, sensing, and healthcare. Despite notable progress in conducting polymers over the past few decades, most of them still suffer from complicated synthesis routes, limited processability, low electrical conductivity, and poor ambient stability compared to their inorganic counterparts. Additionally, the susceptibility of conducting polymers to high temperatures makes them not applicable in real-life electronics. To address the challenges of developing high-performance and stable conducting polymers, we present two key approaches: dopant innovation for polymer-dopant interaction engineering and the discovery of new conjugated polymer hosts. From the perspective of dopant design, we first utilize cross-linkable chlorosilanes (C-Si) to design thermally and chemically stable conductive polymer composites. C-Si can form robust siloxane networks and simultaneously<i> </i>dope the host conjugated polymers. Besides, we have introduced a new class of dopants, namely aromatic ionic dopants (AIDs). The use of AIDs allows for the separation of doping and charge compensation, two processes involved in molecular doping, and therefore leads to highly efficient doping and thermally stable doped systems. We then provide insights into the design of novel conjugated polymer hosts. Remarkably, we have developed the first thermodynamically stable n-type conducting polymer, n-doped Poly (3,7-dihydrobenzo[1,2-b:4,5-b′]difuran-2,6-dione) (n-PBDF). n-PBDF is synthesized from a simple and scalable route, involving oxidative polymerization and reductive doping in one pot in the air. The n-PBDF ink is solution processable with excellent ink stability and the n-PBDF thin film is highly conductive, transparent, patternable, and robust. In addition, precise control over the doping levels of n-PBDF has been achieved through chemical doping and dedoping. By tuning the n-PBDF thin films between highly doped and dedoped states, the system shows controllable conductivity, optical properties, and energetics, thereby offering potential applications in a variety of organic electronics. Overall, this research advances the fundamental understanding of molecular doping and offers insights for the development of high-conductivity, stable conducting polymers with tunable properties for next-generation electronics.</p>

No description available.

<p dir="ltr">Molecular materials exhibiting bistability between two states are intriguing candidates for next generation electronic devices. Two similar classes of materials, known as spin crossover (SCO) and valence tautomers (VT) respectively, are of particular interest due to their multifunctional properties, which are controllable via several external parameters, such as temperature, light irradiation, pressure, magnetic field, and electric field. In recent years, considerable research has been dedicated to better understanding the underlying principles that govern the behavior of these materials, so that their implementation into nano-based devices might be achieved.</p><p dir="ltr">In this report, a systematic study of the valence tautomer molecule [Co(sq)(cat)(3-tpp)₂] is presented. In the first chapter, the phenomenon of valence tautomerism (VT) occurring in coordination compounds is introduced and described from the perspective of Crystal Field Theory (CFT). Further, the molecular structure and physical properties of the [Co(sq)(cat)(3-tpp)₂] molecule are explored. The properties of the ferroelectric material Polyvinylidene fluoride-hexafluoropropylene (PVDF-HFP), and the 2-D Mxene Ti₃C₂ are also discussed.</p><p dir="ltr">The next section details equipment development and experimental methods. Thin films of VT molecules were prepared from solution via a drop-casting approach. For thin film analysis, we have developed a custom made, fully automated Vibrating Sample Magnetometer (VSM) with a sensitivity on the order of 1 × 10^-5 emu, as well as a fully automated, variable temperature, under vacuum electron transport stage, and a magneto-optic Kerr effect apparatus (MOKE). Additional experimental methods used to characterize the VT thin films include X-ray Absorption Spectroscopy (XAS), UV-visible Spectrometry (UV-Vis) and Differential Scanning Calorimetry. Experimental results obtained from these techniques are discussed and analyzed in the third section. PVDF-HFP polarization dependent isothermal spin state switching of [Co(sq)(cat)(3-tpp)₂] is also discussed as well as the effects of doping [Co(sq)(cat)(3-tpp)₂] with Ti₃C₂, followed by a conclusion and an outline of future work.</p>

[pt] Neste trabalho é apresentado o estudo dos dispositivos orgânicos emissores de luz fosforescentes (PHOLED) baseados em compostos de baixo peso molecular. O estudo foi fundamentado nas análises dos complexos baseados no íon de Ir3+: [Ir(t-pzp)2pic] [fac-Ir(t-bupzp)3] e outros complexos já estudados anteriormente a base de Eu3+: [Eu(DBM)3PHEN] e [Eu(DBM)3DMSO2]. No desenvolvimento dos PHOLEDs, a dopagem de uma matriz orgânica com estes complexos reveste uma importância fundamental. Por tanto, como o intuito de estudar e analisar estes sistemas os complexos foram dopados com diversas concentrações em diferentes matrizes orgânicas. Os resultados obtidos revelaram que no caso dos complexos de Ir3+ os melhores valores da concentração do complexo encontram-se na faixa 13-15 porcento em peso. Já no caso dos complexos de íons de terra rara (Eu3+) as melhores concentrações devem ser superiores a 15 porcento em massa, para que ocorra uma transferência de energia eficiente e mantendo o espectro de emissão dos complexos resultando em um aumento da eficiência externa dos dispositivos. Neste trabalho foi desenvolvida também, uma metodologia que, combinando as técnicas de XRF e RBS, permite elaborar um gráfico de calibração para a determinação da concentração efetiva do dopante nos diferentes filmes co-depositados. Finalmente, para aumentar a eficiência dos PHOLEDs foi investigado o efeito da vibração do substrato durante a deposição térmica dos filmes. Os resultados indicam uma redução na densidade de aglomerados e na rugosidade, além de uma melhoria na homogeneidade dos filmes depositados. O aumento de 40 porcento na eficiência do dispositivo fabricados indica que a técnica de vibração é promissora para o desenvolvimento de dispositivos eficientes. / [en] This thesis reports the investigation of the phosphorescent organic light emitting devices (PHOLED) based on low molecular compounds. The study was carried out by analyzes the optical and electrical characteristics of thin films of Ir3+: [Ir(t-pzp)2pic] and [fac-Ir(t-bupzp)3] and other complexes based on Eu3+: [Eu(DBM)3PHEN] and [Eu(DBM)3(DMSO)2]. In developing of PHOLEDs, technology, the doping of an organic matrix with these complexes has a fundamental importance. Therefore, in order to investigate these systems Ir3+ and Eu3+ organic complexes were used as doping with a variety of concentrations in different organic matrix. The results revealed that in the case of Iridium complexes the best values are in the range 13-15 percent. On the other hand, for the rare earth complexes the best concentrations should be greater than 15 percent in order to obtain a efficient energy transfer preserving the emission spectrum of the complexes. Furthermore, the use of the doping results in an increased of the external efficiency of the device. In this work, a methodology combining the XRF and RBS techniques was also developed which allows the direct determination of the effective dopant concentration in co-deposited films through a calibration curve. Finally, to increase the efficiency of the PHOLEDs, the effect of mechanical vibration of the substrate on the thin films characteristics during the thermal deposition was investigated. The results indicate a reduction in the clusters density and film roughness, and an improved homogeneity of the deposited films. The 40 percent increase in efficiency of the devices fabricated under these conditions is a clear indication that the technology holds promise for the development of efficient devices.