Η κατασκευή συσκευών μικροηλεκτρονικής με οργανικούς ημιαγωγούς όπως τρανζίστορς και φωτοεκπομποί δίοδοι οργανικών (FETs, OLEDs), αναπτύσσεται ταχύτατα τα τελευταία χρόνια. Οι φυσικές και χημικές αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν στις διεπιφάνειες των οργανικών με τα ηλεκτρόδια παίζουν καθοριστικό ρόλο στη λειτουργία τέτοιων συσκευών και επομένως η μελέτη της διεπιφανειακής ηλεκτρονικής δομής είναι σημαντική για την κατανόηση της λειτουργίας αυτών των διατάξεων. Στην παρούσα εργασία η ηλεκτρονική δομή των διεπιφανειών ενός συζυγιακού ολιγομερούς (Ooct-OPV5) με ανόργανα υποστρώματα, συγκεκριμένα το οξείδιο Ινδίου-Κασσιτέρου (ITO), τον πολυκρυσταλλικό Au, την επιφάνεια Si(111) (Si με προσμίξεις τύπου –Ν και -P) και υπέρλεπτα υμένια SiO2(1-5 nm) / Si(111), μελετήθηκε με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες –Χ και υπεριώδες (XPS, UPS). Το Ooct-OPV5 χρησιμοποιείται ως πρότυπο για το poly(p-phenylenevinylene) (PPV), ένα πολυμερές που έχει ήδη χρησιμοποιηθεί σε συσκευές OLEDs. Το ITO χρησιμοποιείται ως άνοδος στα OLEDs επειδή είναι διαφανές και έχει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ο χρυσός είναι αδρανές υπόστρωμα που χρησιμοποιείται ως ηλεκτρόδιο στα FETs. Τέλος, η μελέτη διεπιφανειών του οργανικού με το Si παρουσιάζει ενδιαφέρον, προκειμένου να ενσωματωθούν οι οργανικοί ημιαγωγοί σε μικροηλεκτρονικές συσκευές με βάση το Si. Η μελέτη έγινε σε σύστημα υπερυψηλού κενού (UHV) με τις τεχνικές XPS και UPS. Τα υποστρώματα καθαρίζονταν in-situ με ιοντοβολή με Ar+ και θέρμανση. Ακολούθως γινόταν σταδιακή απόθεση του ολιγομερούς και παρασκευάζονταν υπέρλεπτα υμένια (πάχους ~10 nm) πάνω στα καθαρά υποστρώματα. Σε κάθε στάδιο της απόθεσης λαμβάνονταν τα φάσματα XPS του οργανικού και των υποστρωμάτων. Από την ανάλυση των φασμάτων αυτών προσδιορίζονται οι διεπιφανειακές αλληλεπιδράσεις και η μεταβολή της κάμψης των ζωνών των ημιαγώγιμων υλικών. Με τη φασματοσκοπία UPS μελετάται η ζώνη σθένους της διεπιφάνειας και μετράται η διεπιφανειακή διπολική στοιβάδα. Από το συνδυασμό των πειραματικών αποτελεσμάτων μπορούν να κατασκευάζονται σχηματικά διαγράμματα των ζωνών στις διεπιφάνειες. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα καταλήγουμε στα εξής συμπεράσματα: Στις διεπιφάνειες του ολιγομερούς με το ITO, τον Au, το Si (τύπου -p) και το SiO2(1-1.8 nm)/Si(111) υπάρχει διεπιφανειακή διπολική στοιβάδα (eD) ενώ στη διεπιφάνεια Ooct-OPV5/ Si (τύπου -n) όχι. Αυτά τα διεπιφανειακά δίπολα σχετίζονται με την ύπαρξη διεπιφανειακών καταστάσεων και εξυπηρετούν τη μεταφορά φορτίου μεταξύ των υλικών που έρχονται σε επαφή στα πρώτα στάδια του σχηματισμού των διεπιφανειών. Κατά το σχηματισμό της διεπιφάνειας Ooct-OPV5/ Si (τύπου - p), το eD σχετίζεται με την αλληλεπίδραση των μορίων του ολιγομερούς με τις επιφανειακές καταστάσεις του Si. Στις διεπιφάνειες Ooct-OPV5/ με Au και Si, η μεταφορά φορτίου ολοκληρώνεται με τη μεταβολή της κάμψης των ζωνών του οργανικού υμενίου κατά ~0.20 eV. Τα φράγματα έγχυσης οπών (eΦbh) ή τα valence band offsets (ΔEV) καθορίστηκαν επίσης σε όλες τις περιπτώσεις. Στη διεπιφάνεια Ooct-OPV5 / Au το eΦbh μετρήθηκε 1.05 eV και επομένως ο Au είναι ακατάλληλο ηλεκτρόδιο για την έγχυση οπών. Το ITO αποδεικνύεται επίσης ακατάλληλο (eΦbh=1.45 eV) και η επιφάνειά του θα πρέπει να υφίσταται κατεργασία προκειμένου να χρησιμοποιείται ως άνοδος σε συσκευές OLEDs. Στην περίπτωση του Si, το valence band offset μεταξύ αυτού και του ολιγομερούς βρέθηκε ~0.4 eV. Η παραπέρα τροποποίηση της επιφάνειας του Si(111) με υπέρλεπτα υμένια SiO2 αυξάνει το ΔEV κατά ~0.2 eV. / The development of organic-based devices, like transistors and light emitting diodes (FETs, OLEDs), is progressing rapidly over the past few years. A great deal of the physics and chemistry that govern the performance of such devices occur at the interfaces between the organic components and the inorganic electrodes, making the study of the interfacial electronic properties essential. In this work, the electronic structure of the interface formed between a conjugated oligomer (Ooct-OPV5) and inorganic substrates, ιn particular indium-tin oxide (ITO), polycrystalline Au, the Si(111) surface (Si n- and p-doped), and ultrathin (1-5 nm) SiO2 films on Si(111), was studied by X-ray and Ultraviolet photoelectron spectroscopies (XPS, UPS). Ooct-OPV5 is a model for poly(p-phenylenevinylene) (PPV), a polymer that has already been used in OLEDs. ITO is the common anode used in OLEDs because of its transparency and high electrical conductivity. Gold was chosen due to its inert nature and because it is used as a source/drain in FETs. Finally, the study of organic/silicon structures is of great importance for the incorporation of organics in Si-based microelectronic systems. All XPS and UPS measurements were carried out in an ultrahigh vacuum (UHV) apparatus. All substrates were cleaned in-situ by Ar+ sputtering and annealing. High purity oligomer films of up to ~10 nm thickness were produced in-situ by stepwise deposition on the clean substrates. The evolution of the oligomer and substrate-related XPS peaks was followed during Ooct-OPV5 deposition on all substrates. Analysis of these spectra clarified the interfacial chemistry and band bending in the semiconducting materials. UPS spectroscopy is used for the determination of the valence band at the interface and the interfacial dipoles. The interfacial energy band diagrams were deduced in all cases from the combination of experimental results. Based on our experimental data we reached the following conclusions: Dipoles are formed at the interfaces of the oligomer with ITO, Au, Si (p-doped) and SiO2(1-1.8 nm)/Si(111), while the Ooct-OPV5/ Si (n-doped) interface is dipole free. These interface dipoles (eD) are related to the existence of interfacial states and serve for the charge transfer between the materials in contact at the initial stages of the interface formation. In the case of the Ooct-OPV5/ Si (p-doped) interface, eD is related to the interaction of the oligomer molecules with Si surface states. At the Ooct-OPV5/Au and Si interfaces, the charge transfer is completed with a band bending of ~0.20 eV in the oligomer film. The hole injection barriers (eΦbh) or valence band offsets (ΔEV) were also determined in all interfaces. This barrier was measured 1.05 eV at the Ooct-OPV5/ Au interface, and thus Au is inappropriate electrode for hole injection. ITO is also proved a poor hole-injecting electrode (eΦbh=1.45 eV), and thus its surface should be modified by treatments when used as an anode in OLEDs. On the other hand, the valence band offset between the Si substrate and the oligomer is measured ~0.4 eV. Modification of the Si(111) surface with ultra-thin SiO2 layers increases ΔEV by ~0.2 eV.

Σκοπός της παρούσας εργασίας είναι αρχικά να μελετηθεί η επιφάνεια του οξειδίου ινδίου κασσιτέρου που έχει αποτεθεί σε υπόστρωμα ΡΕΤ και να γίνουν πάνω σε αυτήν χημικές επεξεργασίες αλλά και ιοντοβολή, ώστε να παρατηρηθούν τι επιδράσεις έχουν αυτές οι κατεργασίες στην επιφάνεια και ενδεχομένως στο έργο εξόδου. Οι κατεργασίες επιλέχθηκαν επειδή είναι γνωστή από την βιβλιογραφία η επίδρασής τους στο ΙΤΟ που όμως έχει αποτεθεί σε γυαλί, και η σύγκριση με τα δικά μας αποτελέσματα θα δώσει χρήσιμες πληροφορίες για τις διαφορές των δύο υλικών καθώς και αν οι κατεργασίες αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν και αν είναι χρήσιμες για την αύξηση του έργου εξόδου του ΙΤΟ-ΡΕΤ. Επίσης, στη συνέχεια έγιναν αποθέσεις οργανικού ημιαγώγιμου υλικού (NiPc) πάνω στο υπόστρωμα ΙΤΟ-ΡΕΤ το οποίο είχε επεξεργαστεί χημικά, με σκοπό να προσδιοριστεί η ηλεκτρονική δομή της διεπιφάνειας του οργανικού και του υποστρώματος, ώστε να μελετηθεί η επίδραση του ΙΤΟ-ΡΕΤ στην συμπεριφορά της διεπιφάνειας και να διαπιστωθεί η πιθανή εφαρμογή τους σε ηλεκτρονικές διατάξεις. / The purpose of this thesis is to study the surface of indium tin oxide deposited on PET substrate after some chemical treatments and Argon Sputtering, in to order to investigate what effects these treatments have on the surface and possibly in the work function. The treatments were chosen because it is known from the literature the influence they have on the ITO, but which it has been deposited on glass, and a comparison of our results will provide useful information about differences between the two materials, and whether these treatments can be useful for increasing the work function of ITO-PET. Also, it was deposited organic semiconductor material (NiPc) onto the ITO-PET substrate that was chemically processed in order to determine the electronic structure at the interface of organic substrate and to study the effect of ITO-PET in the behavior of interface and to determine its possible application in electronic devices.

Το ερευνητικό ενδιαφέρον για τους οργανικούς ημιαγωγούς είναι συνεχώς αυξανόμενο τα τελευταία χρόνια, καθώς η αγορά των οργανικών ηλεκτρονικών είναι από τις πιο αναπτυσσόμενες. Για την καλή απόδοση των διατάξεων αυτών σημαντικός είναι ο ρόλος των διεπιφανειών. Οι οικογένειες των n-type οργανικών ημιαγωγών naphthalene bisimides και perylene bisimides έχουν δείξει καλές αποδόσεις σε οργανικά τρανζίστορ. Στην παρούσα εργασία μελετήθηκαν οι διεπιφάνειες νέων οργανικών ημιαγωγών από τις παραπάνω οι οικογένειες οργανικών πάνω σε ανόργανα υποστρώματα με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων. Μελετήθηκε ο σχηματισμός λεπτών υμενίων, πάχους έως τα 10 nm, τριών naphthalene οργανικών ημιαγωγών με διαφορετικό ενεργειακό χάσμα πάνω στον χρυσό και ενός perylene πάνω σε χρυσό και SiO2. Σκοπός ήταν να προσδιοριστεί η επίδραση των διαφορετικών υποκαταστατών του κεντρικού πυρήνα των naphthalene bisimides, στα ενεργειακά χαρακτηριστικά του ημιαγωγού και τα φράγματα έγχυσης των φορέων στην διεπιφάνεια με τον χρυσό. Ο τρόπος ανάπτυξης των όλων των οργανικών ημιαγωγών προσδιορίστηκε ως πολλαπλά στρώματα. Σε μια περίπτωση εντοπίστηκε ότι αλλάζει από οριζόντιο σε κάθετο ο προσανατολισμός των μορίων. Προσδιορίστηκαν όλα τα μεγέθη που χαρακτηρίσουν ενεργειακά την διεπιφάνεια. Συγκεκριμένα, σε όλες τις διεπιφάνειες εμφανίζεται ένα διεπιφανειακό δίπολο λόγω της αναδιάταξης του ηλεκτρονιακού νέφους της επιφάνειας του χρυσού από τα μόρια του οργανικού. Επίσης, οι τιμές των φραγμάτων έγχυσης των ηλεκτρονίων που υπολογίστηκαν είναι αρκετά μικρές που δείχνουν το n-type χαρακτήρα των οργανικών. Οι τιμές του δυναμικού ιονισμού που υπολογίστηκαν ήταν όλες μεγαλύτερες του 5, που είναι προϋπόθεση για τα τρανζίστορ να είναι σταθερά στον αέρα, ενώ σε μια περίπτωση η τιμή ήταν αρκετά μικρή, που δείχνει ότι ο συγκεκριμένος οργανικός ημιαγωγός μπορεί να έχει ambipolar χαρακτηριστικά. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο χρυσός μπορεί να χρησιμοποιηθεί αποτελεσματικά ως ηλεκτρόδιο σε τρανζίστορ με n-type οργανικούς ημιαγωγούς. Τέλος, από τα αποτελέσματα τονίστηκε ότι με την υποκατάσταση χημικών ομάδων στον κεντρικό πυρήνα του naphthalene, μια εύκολη διαδικασία, είναι δυνατόν να οδηγηθεί ενεργειακά η διεπιφάνεια προς την επιθυμητή κατεύθυνση. / In the recent years the interest on organic semiconductors is increased as the market of organic electronics is one of most promising. The interfaces between the organic semiconductors with metals or other materials are crucial for the performance of the devices. The study of interfaces by surface sensitive techniques could give useful information for the physics of metal-organic contacts and therefore it is possible the tuning and the improvement of the device performance. The n-type organic semiconductors derivatives of naphthalene bisimides and perylene bisimides, have shown good performance in OFETs. In this work, the interfaces of new synthesized naphthalene bisimides and perylene bisimides molecules with inorganic substrates have been studied by photoelectron spectroscopies. Thin films up to 10 nm thickness of three naphthalene organic semiconductors of different energy gap on Au substrates have been studied. The aim was to investigate the effect of the different substituents of the naphthalene core on the energy characteristics of the organic semiconductors and on the charge injection barriers at the interface. Moreover, the interface of one perylene n-type semiconductor deposited on Au and SiO2 was studied in order to examine the influence of the substrate on the growth mode and the electronic properties. The growth mode of all the organic semiconductors was characterized as simultaneous multilayers. In one case, the orientation of the organic molecules was changed from horizontal to vertical to the surface. In all the interfaces an interface dipole is formed during the early stage of deposition which is attributed to the reorganization of the electron cloud of the Au surface by the organic molecules when they are deposited on Au. The hole and electron injection barriers were also determined. The electron injection barriers were found to be small which indicates the n-type character of these organic molecules. In addition, the results displayed that the Au can be used efficiently as electrode in devices with these organic semiconductors. The ionization potentials of the organic semiconductors were measured and found to be above 5 eV for all and therefore, they are suitable for air-stable transistors. In the case of one organic semiconductor the ionization potential was measured close to the value of five. Thus, this organic semiconductor is suitable for ambipolar transistors. The valance band characteristics near the HOMO, as detected by the UPS spectra, showed that they are affected by the different substituents on the side groups of the imide. These results have shown that changing the substituents of the organic core, which is an easy process; it is possible to tune the energy levels and the electronic characteristics of the interface.