L’objectif de cette thèse porte sur la synthèse du diamant monocristallin dopé au bore par dépôt chimique en phase vapeur assisté par plasma micro-onde (MPCVD). Ces couches épitaxiées jouent le rôle de couches actives dans des composants pour l’électronique de puissance. Ces travaux s’inscrivent dans le cadre du projet Européen H2020 Greendiamond. Durant cette thèse, un traitement de gravure des défauts surfaciques des substrats de diamant HPHT par plasma Ar/O₂ a été mis au point. L’efficacité de ce traitement a été validée par diffraction des rayons X à haute résolution, spectroscopie Raman et cathodoluminescence. Cette étape s’est révélée essentielle pour l’amélioration des propriétés de transport de couches de diamant dopées au bore pour les applications en électronique.L’optimisation des conditions de croissance de couches de diamant faiblement dopées au bore (<10¹⁶ at.cm⁻¹) a permis la synthèse de films homoépitaxiés allant jusqu’à 5 µm d’épaisseur présentant une haute qualité cristalline. Les propriétés structurales et de transport de ces couches ont été corrélés en combinant différentes méthodes comme la spectroscopie Raman, la cathodoluminescence, la topographie X, l’imagerie MEB des défauts, les mesures par temps de vol et des mesures de Hall.Ces films de diamant dopés au bore ont été intégrés avec succès dans des composants électroniques comme des MESFET ou des diodes Schottky. / This PhD aims to synthetize boron doped single-crystal diamond epilayers by Micro-Wave Plasma Chemical Vapor Deposition (MPCVD) as active layers for power electronic devices. This work was performed in relation with the European H2020 Greendiamond project. A powerful Ar/O₂ plasma etching was optimized which allows the efficient elimination of defects in the subsurface of HPHT diamond substrates as confirmed by High Resolution X-ray Diffraction, Raman spectroscopy and Cathodoluminescence. This step proved to be crucial for the improvement of low boron doped-diamond layers carrier properties for electronic purposes.The optimization of growth conditions performed on low boron-doped diamond layers (<10¹⁶ at.cm⁻³) enabled the synthesis of high quality doped layers, 5 µm thick. The structural and transport properties of these layers were correlated by different techniques: Raman spectroscopy, Cathodoluminescence, X-Ray Topography, SEM imaging of defects, Transient Current Technique, Hall measurements.Finally, low boron doped epilayers were integrated with success in electronic devices such as MESFET or Schottky diodes.

Les tubulines sont des protéines impliquées dans des processus biologiques essentiels à la vie cellulaire. Elles sont polymodifiées en leurs extrémités C-terminales. Différentes techniques ont été utilisées pour caractériser les polymodifications des tubulines. Mais certaines difficultés persistent concernant l’indentification fine de plusieurs structures. Le couplage de spectrométrie de masse à la mobilité ionique représente une avancée technique plus pertinente pour la séparation d’isomères de structures. En effet, la mobilité ionique peut séparer des ions de même rapport m/z en fonction de leur conformation. Dans la première partie de cette thèse, une analyse par mobilité ionique et spectrométrie de masse en tandem a permis la séparation de deux peptides de synthèse mimant des peptides C-terminaux de tubuline α diglycylés. L’hormone de croissance (GH) est une hormone anabolique et un agent dopant pour les sportifs. La disponibilité de la hGH recombinante (rhGH) dans le marché noir a augmenté la fréquence du dopage à la GH. Les tests antidopage approuvés par l’agence mondiale d’antidopage sont confrontés à certaines limites. Dans la deuxième partie de ma thèse, des analyses comparatives de la hGH naturelle et la rhGH ont été réalisées par spectrométrie de masse couplée à la chromatographie liquide en phase inverse pour trouver une différence chimique entre la hGH naturelle et la rhGH. La hGH naturelle extraite des glandes pituitaires de cadavres est glycosylée alors que la rhGH n’est pas modifiée. De manière intéressante, cette glycosylation se trouve sur un peptide protéospécifique de la hGH. Ce travail ouvre une piste pour le développement d’une nouvelle méthodologie pour les tests anti-dopage à la GH. / The tubulins are proteins involved in cellular processes that are essential for cell life. The tubulins are polymodified at their C-terminal extremities. Different techniques have been used to characterize the polymodifications of tubulins. However, some challenges remain in the fine identification of some structures. In fact, mass spectrometry ion mobility can separate ions of the same m/z ratio depending on their conformations. In the first part of this thesis, an ion mobility mass spectrometry analysis allowed the separation of two synthetic peptides that mimic the structure of C-terminal peptides of biglycylated α-tubulins. In order to extrapolate this type of experiment to the C-terminal peptides purified from biological tubulins, we employed an analytical process to analyze these peptides from purified brain tubulins. Growth hormone (GH) is an anabolic hormone and a doping agent used by athletes. The availability of rhGH in the black-market has continuously increased because of doping in sports. The natural and the biosynthetic hGH have identical peptidic sequences. So far, the valid hGH anti-doping tests by the world antidoping agency are based on immunological recognition. However, Immunoassays have their own limitations. Therefore, the next generation analysis of GH has to be more specific and accurate. In the second part of this thesis, mass spectrometry coupled to reversed phase chromatography was used to find chemical differences between the pituitary hGH and the rhGH. The pituitary extracted hGH is glycosylated whereas the biotech product is sugar free. The present work represents an opening towards a novel methodology for a novel hGH anti-doping test.

<p>The enhancement of the emission from nitrogen vacancy color centers will help facilitate advancements in quantum information technology. To this end, the reduction of the excited state lifetimes of NVs as well as the design of devices which support electroluminescence of nitrogen vacancies, as well as the broadband enhancement of the emission from these centers is of great importance.</p> <p> </p> <p>In this study, we create diamond thin films containing nitrogen vacancy color centers using salt-assisted ultrasonic disaggregation techniques and electrophoretic deposition. These films are implanted with xenon atoms and the resulting structures are characterized optically. We report a reduction in the bulk emission lifetime of nitrogen vacancy color centers of two orders of magnitude. A coupled-mode theory approach is used to analyze the emission from the xenon-doped nanodiamond species. It is determined that the lifetime reduction occurs due to coupling between nitrogen vacancy color centers and xenon color centers within the diamond lattice.</p> <p> </p> <p>A diamond field effect transistor is investigated via simulations utilizing Sentaurus TCAD software. The device is scaled by three orders of magnitude from previous experiments involving the same structure. Transport characteristics are obtained from simulation results. We confirm the existence of a decreasing saturation voltage with a decrease in gate length in the diamond field effect transistor. Further investigation into the device’s viability as a quantum emitter is conducted. </p> <p> </p> <p>The design of a single photon source utilizing plasmonic structures to enhance emission from nitrogen vacancy color centers is proposed. The plasmonic structure is investigated to extract operating parameters and to quantify the optical coupling and propagation characteristics for various physical dimensions</p> <p> </p> The design of a plasmonic device which features both electroluminescence via nitrogen vacancy color centers and their enhancement via plasmonic effects is numerically simulated. The device features large Purcell enhancement factor and good photon emission rate. In summary, this work paves the way towards the advancement of the nitrogen vacancy color center as a stable source of room temperature photons for quantum information applications.

This master’s thesis is focused on the subject of graphene modified with atomic hydrogen and its electronic transport properties. Structural and electronic properties of graphene and hydrogenated graphene are compared in the theoretical part of the thesis. The Raman spectroscopy technique is described, including characterization of typical Raman spectra of both unmodified and modified graphene. Samples used during experimental part of the thesis are prepared via laser and electron lithography, and are set to be measured in a vacuum chamber. Subsequently, electronic transport properties are measured before and after hydrogen modification of graphene. Finally, hydrogenated graphene is irradiated using electron beam and changes in its structure are analyzed with Raman spectroscopy techniques.

A l’heure où les impacts du changement climatique sont devenus indéniables, le développement des énergies décarbonées s’impose. Potentiellement bas coût comparées aux technologies établies, les technologies organiques émergentes offrent une alternative éco-efficiente pour l’exploitation de l’énergie solaire et de l’énergie thermique (< 473 K). Dans le premier chapitre, les avantages et inconvénients des différentes technologies actuellement développées sont discutés. Les dispositifs photovoltaïques, tout comme thermoélectriques, requièrent deux types de matériaux conduisant respectivement les trous (type p) et les électrons (type n). Malgré des avancées remarquables, le développement de semi-conducteurs de type n constitue un levier d’amélioration majeur pour les technologies organiques. Dans ce contexte, ce travail doctoral présente la conception, la synthèse, la caractérisation et la mise en œuvre au sein de dispositifs, de polymères et petites molécules pi-conjugués de type n.Basées sur trois unités électro acceptrices – l’isoindigo (ISI), le naphtalène diimide (NDI) et le benzodifurandione-oligo(p-phénylènevinylène) fluoré (FBDOPV) – la conception et la synthèse de copolymères alternés sont présentées dans le deuxième chapitre. Ces polymères démontrent de hautes affinités électroniques comprises entre 3,5 eV et 4,1 eV. Les études de modélisations DFT et de diffraction de rayons X en couches minces ont permis d’identifier les principaux facteurs structuraux à l’origine des hautes mobilités en électron obtenues en transistor organique à effet de champ allant jusqu’à 0,26 cm2.V-1.s-1.Pour une application thermoélectrique, le dopage moléculaire de ces semi conducteurs organiques est requis et fait l’objet du troisième chapitre. Les conditions nécessaires à la thermo- et photo activation du dopant N-DMBI ont été identifiées. En particulier, la dégradation du dopant activé en présence d’oxygène a été mise en évidence par diffraction de rayons X sur monocristaux. Les polymères et deux petites molécules à base d’ISI et NDI ont été dopés avec succès. Les mécanismes de dopage et les conductivités obtenues sont discutés au cas par cas à l’aide d’expériences spectroscopiques UV Visible-Proche-Infrarouge et Résonance Paramagnétique Electronique. Des conductivités de l’ordre de 10-4 S.cm-1 sont obtenues sans apport énergétique ni avant ni après dépôt. Des conductivités encourageantes de l’ordre de 10-3 S.cm-1 pour une petit molécule à base de NDI et de 10-2 S.cm-1 pour un polymère à base de FBDOPV ont été atteintes. La stabilité et la réversibilité des conductivités des couches minces exposées à l’air ont été examinées et corrélées au niveau LUMO des matériaux. Le contrôle minutieux des conditions de dépôts et de dopage ont permis l’obtention d’un facteur de puissance de l’ordre de 0,3 µW.m 1.K-2 associé à une conductivité thermique de 0,53 W.m-1.K-1. Des figures de mérite d’environ 2.10-4 à 303 K et 5.10-4 à 388 K ont été mesurées, lesquelles représentent les premières valeurs reportées à ce jour pour un semi-conducteur organique dopé n sur un même dispositif.Ces matériaux permettent également le remplacement des dérivés fullerènes en dispositif photovoltaïque comme présenté dans le dernier chapitre. Ils démontrent notamment de forte propriétés d’absorption, étendue jusqu’au domaine proche infrarouge pour l’un des polymères. Un rendement de conversion de 1,3% a été obtenu en cellule solaire à hétérojonction en volume « tout-polymère » avant optimisation. Suivant une conception moléculaire de type donneur-espaceur-accepteur, deux dérivés d’ITIC ont été conçus et caractérisées. La modification de substituants alkyles sur l’espaceur permet d’obtenir des propriétés d’absorptions et d’organisations améliorées comparé à ITIC. De hautes tensions de circuit-ouvert allant jusqu’à 1,10 V et des rendements de 4,2% ont été obtenus avec ces accepteurs non-fullerènes. / At a time when the impacts of climate change have become undeniable, the development of low-carbon energies is crucial. Potentially low cost compared to established technologies, emerging organic technologies offer an eco-efficient alternative for harvesting solar and thermal (< 473 K) energies. In the first chapter, the advantages and drawbacks of the different technologies currently being developed are discussed. Photovoltaic devices, like thermoelectric devices, require two types of materials conducting holes (p type) and electrons (n-type) respectively. Despite remarkable advances, the development of n-type semiconductors represents a major lever for improving organic technologies. In this context, this doctoral work presents the design, synthesis, characterization and device developments of innovative pi-conjugated n-type polymers and small molecules.Based on three electron-accepting units – isoindigo (ISI), naphthalene diimide (NDI) and fluorinated benzodifurandione-oligo(p-phenylenevinylene) (FBDOPV) – the design and synthesis of alternated copolymers are presented in the second chapter. These polymers exhibit high electron affinities ranging from 3.5 eV to 4.1 eV. DFT modelling and thin-film X-ray diffraction studies allowed to identify the main structural aspects leading to electron mobility as high as 0.26 cm2.V 1.s 1 achieved in organic field effect transistors.For thermoelectricity, molecular doping of these organic semiconductors is required. It is the subject of the third chapter. The necessary conditions for thermo- and photo-activation of N DMBI dopant have been identified. In particular, the degradation of the activated dopant in the presence of oxygen has been demonstrated by single crystal X-ray diffraction. Each polymer and two small molecules based on ISI and NDI cores have successfully being doped. The doping mechanisms and conductivities obtained are discussed on a case by case basis using UV-Visible-Near-Infrared and Electron Paramagnetic Resonance spectroscopies. In particular, conductivities in the range of 10-4 S.cm-1 were obtained without external energy supply neither before nor after deposition. Encouraging conductivities in the range of 10-3 S.cm 1 for a small molecule based on NDI and 10-2 S.cm 1 for a polymer based on FBDOPV have been achieved. The stability and reversibility of thin film conductivities when exposed to air were investigated and correlated to the LUMO level of the materials. The thorough control of deposition and doping conditions have afforded to achieve a power factor of about 0.3 µW.m-1.K-2 associated to a thermal conductivity of 0.53 W.m 1.K 1. Figure of merits of approximately 2.10-4 at 303 K and 5.10-4 at 388 K have been obtained, which represent the first values reported to date for an n-doped organic semiconductor measured on a single device.These materials also allow the replacement of fullerene derivatives in photovoltaic devices as presented in the last chapter. In particular, they demonstrate strong absorption properties, extended to the near infrared domain for one of the polymers. A conversion efficiency of 1.3% was obtained in all polymer bulk-heterojunction solar cell before optimization. Following the donor-spacer-acceptor approach, two ITIC derivatives have been designed and characterized. The modification of alkyl substituents on the spacer provides improved absorption and molecular packing properties compared to ITIC. High open-circuit voltages up to 1.10 V and conversion efficiencies of 4.2% have been achieved with these non-fullerene acceptors.

Image charge detection is presented as a possible candidate to realise deterministic ion implantation. The deterministic placement of single impurities in solid substrates will enable a variety of novel applications, using their quantum mechanical properties for sensors or qubit registers. In this work, experimental techniques are used together with theoretical calculations to develop, characterise and optimise the detection of charged objects in a single pass through an image charge detector. In the main experimental part, ion bunches are employed as a model system for highly charged ions in proof-of-principle measurements with detector prototypes built in our labs. Image charge signals are characterised in the time and frequency domain. Using a statistical measurement and data analysis protocol, the noise and signal probability density functions are determined to calculate error and detection rates. It was found that even at an extremely low signal-to-noise ratio of 2, error rates can be suppressed effectively for high fidelity implantation. Aiming to improve the sensitivity, the maximum possible signal-to-noise ratio is calculated and discussed in dependence on the design parameters of an optimised image charge detector and the kinetic ion parameters. Lastly, a new ion implantation set-up combining focused ion beam technology with a source able to produce highly charged ions is introduced.

In der vorliegenden Arbeit wurde die elektronische Struktur verschiedener undotierter und mit Alkalimetallen beziehungsweise 2,3,5,6-Tetrafluoro-7,7,8,8-tetracyanoquinodimethan (F 4 TCNQ) dotierter, polyzyklischer aromatischer Kohlenwasserstoffe (PAK) untersucht. Diese Untersuchungen waren motiviert durch verschiedene Veröffentlichungen in denen supraleitendes Verhalten an unterschiedlichen alkalimetalldotierten PAK beschrieben wurde. Erste Studien erfolgten an undotiertem 1,2:8,9-Dibenzopentacen (DBP) und Pentacen unter Nutzung von Photoelektronenspektroskopie (PES), Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS) und Dichtefunktionaltheorie (DFT). Die spektroskopischen Methoden zeigten für beide Materialien eine große Ähnlichkeit der elektronischen Zustände, vor allem im niederenergetischen Bereich, welche durch die theoretischen Ergebnisse bestätigt wurde. Die elektronische Ähnlichkeit beider Materialien ist im starken Gegensatz zu dem in der Literatur bei Dotierung beobachteten Verhalten, bei dem Pentacen zum Mott-Isolator wird, während DBP Supraleitung zeigt. Weitere Untersuchungen erfolgten an Picen und Coronen. Bandstrukturrechnungen zeigten, dass Picen vermutlich ein stark korreliertes Elektronensystem besitzt. Neben dem mit PES ermittelten Ionisationspotential und der Austrittsarbeit waren auch die mit EELS gemessenen optischen Bandlücken der beiden Materialien sehr ähnlich. Unterschiede zeigten sich hingegen vor allem in der Dichte der gemessenen Zustände von Picen und Coronen am Ferminiveau. Bei der Untersuchung der elektronischen Eigenschaften von mit Kalium-dotierten Picen und Coronen wurde trotz der erfolgreichen Dotierung in keinem der untersuchten Filme eine Zustandsdichte am Ferminiveau beobachtet somit wurde auch keiner der untersuchten Filme metallisch. Dasselbe Verhalten konnte auch für Natrium-dotierte Filme beobachtet werden. Eine Diskussion dieses Ergebnisses, welches im Gegensatz zu der von anderen Gruppen in dotierten Molekülen beobachteten Supraleitung steht, erfolgte im Hinblick auf die Bildung unterschiedlich dotierter Phasen, Elektron-Phonon-Kopplung, der Formierung von Bi-Polaronen und Korrelationseffekten. Für ein weitergehendes Verständnis der dotierungsinduzierten elektronischen Eigenschaften in den untersuchten Molekülen wurden diese nicht nur mit Alkalimetallen, sondern teilweise auch mit elektronenziehenden Molekülen wie F 4 TCNQ interkaliert. Dabei entstanden Kristalle verschiedener Ladungstransfersalze. Eine ausführliche Charakterisierung erfolgte für Picen/F 4 TCNQ-Kristalle, welche im Rahmen dieser Arbeit zum ersten Mal hergestellt und untersucht wurden. Dabei wurde zunächst deren Kristallstruktur mit Röntgendiffraktometrie (XRD) bestimmt. Eine Abschätzung der Größe des Ladungstransfers innerhalb der Molekülpaare aus Picen/ F 4 TCNQ erfolgte über Infrarot- und Bindungslängendaten, die auf diese Weise gefunden Werte wurden zusätzlich durch DFT-Rechnungen untermauert. Transportmessungen zeigten außerdem, dass die hergestellten Kristalle entlang ihrer Hauptwachstumsrichtung Isolatoren sind. Die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften wurde mit EELS und PES an Picen/ F 4 TCNQ -Dünnfilmen durchgeführt, welche durch die Verdampfung der Einkristalle hergestellt wurden. Die Molekülpaare zeigen einen Ladungstransfer, der neue elektronische Anregungen im Niederenergiebereich der mit EELS gemessenen Verlustfunktion hervorruft. Im weiteren Verlauf der Arbeit erfolgte eine Diskussion bezüglich des Charakters und der Lokalisierung dieser neuen Anregungen. Bei den PES-Messungen zeigte sich der Ladungstransfer durch energetische Verschiebungen in den gemessen Rumpfniveauspektren sowie durch im Vergleich zu den reinen Materialien deutlich veränderte Ionisationspotentiale. Trotz des erfolgreichen Ladungstransfers und der damit verbundenen Füllung von unbesetzten Zuständen mit Elektronen in F 4 TCNQ wurde jedoch in den Valenzbandspektren keine Emission am Ferminiveau beobachtet. DFT-Rechnungen ermöglichten schließlich Aussagen über den Charakter des Ladunstransfers und die daraus resultierende, fehlende Zustandsdichte am Ferminiveau.

Seit 2002 kam ein neues Interesse an Germanium als Material für CMOS-Bauelemente auf, angetrieben durch die höhere Beweglichkeit der Ladungsträger im Vergleich zu Silizium. Für die Herstellung von Germanium MOSFETs bestehen allerdings noch einige Herausforderungen. Speziell die Problematik der hohen n-Dotierung für die Source- und Draingebiete der PMOS-Transistoren hat sich dabei als potentieller Roadblocker herauskristallisiert. Die geringe Aktivierung und die hohe Diffusivität der Donatoren in Germanium stellen ein Problem für die Herstellung von CMOS-Schaltkreisen aus Germanium dar. Als ursächlich dafür wurden Vakanzen identifiziert (Bracht et.al.). Um das Diffusions- und das Aktivierungsverhalten von Arsen und Phosphor in Germanium zu untersuchen, wurden p-Typ Germaniumwafer durch Ionenimplantation mit beiden Spezies dotiert und anschließend durch Rapid-Thermal-Annealing und/ oder Flash-Lamp-Annealing ausgeheilt. Zusätzlich wurden Experimente mit kodotierten und P-dotierten Proben mit verringerter Schichtkonzentration durchgeführt. Untersuchungen mit Rutherford-Backscattering-Spektroskopie und Transmissions-Elektronen-Mikroskopie werden durchgeführt, um die strukturellen Eigenschaften der Proben infolge der Implantation und der Ausheilung festzustellen. Mittels Sekundärionen-Massen-Spektroskopie wird die Dotandenkonzentration bestimmt. Es folgen elektrische Messungen des Schichtwiderstandes bei Raumtemperatur und in geeigneten Fällen bei Temperaturen unterhalb 10K. An ausgewählten Proben werden Hallmessungen durchgeführt. Die Gesamtheit der Analyseverfahren ermöglicht eine Analyse des Rückwachsverhaltens, der Diffusion und der elektrischen Aktivierung der Dotanden unter den verschiedenen Implantations- und Ausheilbedingungen. Die nach verschiedenen Methoden bestimmten Größen wie die Ladungsträgerkonzentration und -mobilität werden betrachtet und im Hinblick auf die Parameter der Probenpräparation analysiert und mit der Literatur verglichen. Abschließend werden mögliche Mechanismen zur Deaktivierung von Donatoren in Germanium erörtert.

Using photoelectron spectroscopy, we show measurements of energy level alignment of organic semiconducting layers. The main focus is on the properties and the influence of doped layers. The investigations on the p-doping process in organic semiconductors show typical charge carrier concentrations up to 2*10E20 cm-3. By a variation of the doping concentration, an over proportional influence on the position of the Fermi energy is observed. Comparing the number of charge carriers with the amount of dopants present in the layer, it is found that only 5% of the dopants undergo a full charge transfer. Furthermore, a detailed investigation of the density of states beyond the HOMO onset reveals that an exponentially decaying density of states reaches further into the band gap than commonly assumed. For an increasing amount of doping, the Fermi energy gets pinned on these states which suggests that a significant amount of charge carriers is present there. The investigation of metal top and bottom contacts aims at understanding the asymmetric current-voltage characteristics found for some symmetrically built device stacks. It can be shown that a reaction between the atoms from the top contact with the molecules of the layer leads to a change in energy level alignment that produces a 1.16eV lower electron injection barrier from the top. Further detailed investigations on such contacts show that the formation of a silver top contact is dominated by diffusion processes, leading to a broadened interface. However, upon insertion of a thin aluminum interlayer this diffusion can be stopped and an abrupt interface is achieved. Furthermore, in the case of a thick silver top contact, a monolayer of molecules is found to float on top of the metal layer, almost independent on the metal layer thickness. Finally, several device stacks are investigated, regarding interface dipoles, formation of depletion regions, energy alignment in mixed layers, and the influence of the built-in voltage. We show schematic energy level alignments of pn junctions, pin homojunctions, more complex pin heterojunctions with Zener-diode characteristics, as well as a complete OLED stack. The results allow a deeper insight in the working principle of such devices. / Mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie werden in der vorliegenden Arbeit Energieniveaus an Grenzflächen von organischen Halbleitern untersucht, wobei ein Hauptaugenmerk auf dem Einfluss und den Eigenschaften dotierter Schichten liegt. Bei der Untersuchung grundlegender Eigenschaften eines p-dotierten organischen Halbleiters können Ladungsträgerkonzentrationen bis zu 2*10E20 cm-3 nachgewiesen werden. Eine Variation der Dotierkonzentration zeigt einen überproportionalen Einfluss der Ladungsträger auf die Position des Ferminiveaus verglichen mit Experimenten an anorganischen Schichten. Durch den Vergleich mit der Anzahl Dotanden in der Schicht kann gezeigt werden, dass dabei nur etwa 5% der Dotanden einen vollständigen Ladungstransfer eingehen. Eine detaillierte Untersuchungen der Zustandsdichte jenseits des HOMOs (Highest Occupied Molecular Orbital) zeigt, dass die exponentiell abfallende Flanke der Zustandsdichte weiter in die Bandlücke hineinreicht als üblicherweise angenommen. Das Ferminiveau erfährt bei steigender Dotierung ein Pinning an diesen Zuständen, was für eine signifikante Ladungsträgerkonzentration spricht. Weiterhin wurden Untersuchungen zu Metal Top- und Grundkontakten durchgeführt. Es kann gezeigt werden, dass die Ursache für die Entstehung unsymmetrischer Strom-Spannungskurven, trotz eines symmetrischen Probenaufbaus, an einer Reaktion zwischen dem Molekül und den Metallatomen liegt. Dadurch entsteht eine um 1.16eV reduzierte Injektionsbarriere für Elektronen am Topkontakt. Weitere detaillierte Untersuchungen an diesen Topkontakten zeigen, dass im Falle von Silber als Metall diese Grenzfläche von Diffusionsprozessen dominiert ist. Im Gegensatz dazu zeigt das unedle Metall Aluminium keine Diffusion und führt zu abrupten Grenzflächen. Im ersten Fall kann zudem eine Monolage vom Molekül auf dem Metallkontakt nachgewiesen werden, die unabhängig von der Metalldicke aufschwimmt. Zuletzt werden Bauelemente oder Teile solcher mit Photoelektronenspektroskopie vermessen. Hierbei werden die Grenzflächendipole, die Ausbildung von Verarmungszonen, die Energieangleichung in Mischschichten und der Einfluss der Eingebauten Spannung untersucht. Es können die Banddiagramme von pn-Übergängen, einfachen pin Homoübergängen, komplexeren pin Heteroübergänge mit Zener-Dioden Verhalten sowie eine gesamte OLED gezeigt werden. Die Ergebnisse erlauben einen tieferen Einblick in die Arbeitsweise solcher Bauelemente.

This study focuses on the investigation of the key parameters that determine the optical and electrical characteristics of inverted top-emitting organic light emitting diodes (OLED). A co-deposition of small molecules in vacuum is used to establish electrically doped films that are applied in n-i-p layered devices. The knowledge about the functionality of each layer and parameter is important to develop efficient strategies to reach outstanding device performances. In the first part, the thin film optics of top-emitting OLEDs are investigated, focusing on light extraction via cavity tuning, external outcoupling layers (capping layer), and the application of microlens films. Optical simulations are performed to determine the layer configuration with the maximum light extraction efficiency for monochrome phosphorescent devices. The peak efficiency is found at 35%, while varying the thickness of the charge transport layers, the semitransparent anode, and the capping layer simultaneously. Measurements of the spatial light distribution validate, that the capping layer influences the spectral width and the resonance wavelength of the extracted cavity mode, especially for TM polarization. Further, laminated microlens films are applied to benefit from strong microcavity effects in stacked OLEDs by spatial mixing of external and to some extend internal light modes. These findings are used to demonstrate white top-emitting OLEDs on opaque substrates showing power conversion efficiencies up to 30 lm/W and a color rendering index of 93, respectively. In the second part, the charge carrier management of n-i-p layered diodes is investigated as it strongly deviates from that of the p-i-n layered counterparts. The influence of the bottom cathode material and the electron transport layer is found to be negligible in terms of driving voltage, which means that the assumption of an ohmic bottom contact is valid. The hole transport and the charge carrier injection at the anode is much more sensitive to the evaporation sequence, especially when using hole transport materials with a glass transition temperature below 100°C. As a consequence, thermal annealing of fabricated inverted OLEDs is found to drastically improve the device electronics, resulting in lower driving voltages and an increased internal efficiency. The annealing effect on charge transport comes from a reduced charge accumulation due to an altered film morphology of the transport layers, which is proven for electrons and for holes independently. The thermal treatment can further lead to a device degradation. Finally, the thickness and the material of the blocking layers which usually control the charge confinement inside the OLED are found to influence the recombination much more effectively in inverted OLEDs compared to non-inverted ones.