In dieser Arbeit wurden unterschiedliche Moleküle aus der Klasse der Phthalocyanine (Pc) und Pentacen-Materialien als aktive Schichten in organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) mittels organischer Molekularstrahldeposition (OMBD) unter Hochvakuumbedingungen aufgedampft. Die elektrische Charakterisierung von Top-Kontakt (TC) und Bottom-Kontakt (BC) OFET-Konfigurationen, die Auskunft über die Ladungsträgermobilität, die Schwellspannung und das Ein/Aus-Verhältnis gibt, wurde sowohl unter Hochvakuum- als auch unter Umgebungsbedingungen an Luft durchgeführt. Für beide OFET-Konfigurationen wurde Gold für die Source- und Drain-Elektroden genutzt. Aussagen über die Morphologie der untersuchten organischen Schichten, die auf Siliziumsubstraten mit einem 100 nm dicken Siliziumdioxyd (SiO2) Gate-Dielektrikum abgeschieden wurden, wurden mittels Rasterelektronenmikroskopie (SEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) erhalten. Im Vergleich mit den TC OFETs wurde im Bereich des aktiven Kanals in den BC OFETs die Bildung einer höheren Anzahl von Körnern und Korngrenzen gefunden, welche zur Degradation dieser Bauelemente speziell bei Atmosphärenexposition beiträgt. Es wurden die nachfolgenden fünf Moleküle aus der Klasse der Pc untersucht: Kupferphthalocyanin (CuPc), Fluoriertes Kupferphthalocyanin (F16CuPc), Kobaltphthalocyanin (CoPc), Titanylphthalocyanin (TiOPc), und Lutetium-bis-Phthalocyanin (LuPc2). Diese Moleküle wurden mit dem Ziel ausgewählt, die Performance der OFETs unter vergleichbaren Präparationsbedingungen zu testen, wenn das zentrale Metallatom, die Halbleitereigenschaften oder die molekulare Geometrie geändert werden. Durch die Fluorierung (F16CuPc) wurde eine Änderung im Leitungsverhalten von CuPc von p-Typ zum n-Typ erreicht und in der elektrischen Charakteristik der OFETs nachgewiesen. Diese Resultate wurden ebenfalls mittels Kelvin-Sonden-Kraftmikroskopie (KPFM) erhalten. Der Einfluss der Molekülgeometrie auf die Performance der Bauelemente wurde durch die Änderung der Gestalt der Moleküle von planar (CuPc, F16CuPc, CoPc) zu nicht planaren Einfach- (TiOPc) und nicht planaren Doppeldeckermolekülen (LuPc2) untersucht. Eine höhere OFET-Performance wurde erreicht, wenn planare Pc-Materialien für die Bildung der aktiven Schicht verwendet wurden. Das kann teilweise auf die Morphologie der Pc-Schichten zurückgeführt werden. AFM-Aufnahmen zeigen, dass im Vergleich mit nicht planaren Molekülen größere Körner und deshalb eine geringere Anzahl von Korngrenzen gebildet werden, wenn planare Pc-Moleküle verwendet werden. Für den Fall von TC CuPc OFETs wurde gezeigt, dass die Performance der Bauelemente verbessert werden kann, wenn das Gate-Dielektrikum mit einer selbstorganisierten Monoschicht von n-Octadecyltrichlorosilan modifiziert wird oder wenn das Substrat während der Aufdampfung der CuPc-Schicht auf einer höheren Temperatur gehalten wird. Für die Klasse der Pentacen-Materialien wurde ein Vergleich zwischen der Performance von BC OFETs, die die kürzlich synthetisierten fluorierten n-Typ Pentacenquinon-Moleküle nutzen, und denen, die die p-Typ Pentacen-Moleküle nutzen, präsentiert. Das große Erfordernis hochreine Materialien zu verwenden, um eine Degradation der OFETs zu vermeiden, wurde durch Durchführung von Mehrfachmessungen an den OFET-Bauelementen bestätigt. Aus diesen Experimenten lassen sich Informationen bzgl. der Störstellen an der Grenzfläche organische Schicht/SiO2 ableiten. Weiterhin wurde für einige der untersuchten Moleküle die Performance von BC OFETs unter dem Einfluss von unterschiedlichen Gasen gezeigt.

This work presents applications of an ab-initio molecular dynamics method, the so-called nonadiabatic quantum molecular dynamics (NA-QMD), for various molecular systems with many electronic and nuclear degrees of freedom. Thereby, the nuclei will be treated classically and the electrons with time-dependent density functional theory (TD-DFT) in basis expansion. Depending on the actual system and physical process, well suited basis sets for the Kohn-Sham orbitals has to be chosen. For the ionization process a novel absorber acting in the energy space as well as additional basis functions will be used depending on the laser frequency. In the first part of the applications, a large variety of different laser-induced molecular processes will be investigated. This concerns, the orientation dependence of the ionization of multielectronic diatomics (N2, O2), the isomerization of organic molecules (N2H2) and the giant excitation of the breathing mode in fullerenes (C60). In the second part, fullerene-fullerene collisions are investigated, for the first time in the whole range of relevant impact velocities concerning the vibrational and electronic energy transfer (\"stopping~power\"). For low energetic (adiabatic) collisions, it is surprisingly found, that a two-dimensional, phenomenological collision model can reproduce (even quantitatively) the basic features of fusion and scattering observed in the fully microscopic calculations as well as in the experiment. For high energetic (nonadiabatic) collisions, the electronic and vibrational excitation regimes are predicted, leading to multifragmentation up to complete atomization.

This work deals with the investigation and research on organic solar cells. In the first part of this work we focus on the spectroscopical and electrical characterization of the acceptor molecule and fullerene derivative C70. In combination with the donor molecule zinc-phthalocyanines (ZnPc) we investigate C70 in flat and bulk heterojunction solar cells and compare the results with C60 as acceptor. The stronger and spectral broader thin film absorption of C70 and thus enhanced contribution to photocurrent as well as the similar electrical properties with respect to C60 result in higher power conversion efficiencies. In the second part, modifications of the blend layer morphology of a C60:ZnPc bulk heterojunction solar cell are considered. Using substrate heating during co-deposition of acceptor and donor, the molecular arrangement is influenced. Due to the additional thermal energy at the substrate the blend layer morphology is improved and optimized for a substrate heating temperature of 110°C. With transmission electron microscopy, molecular phase separation of C60 and ZnPc and the formation of polycrystalline ZnPc domains in a lateral dimension on the order of 50 nm are detected. Mobility measurements show an increased ZnPc hole mobility in the heated blend layer. The improved charge carrier percolation and transport are confirmed by the enhanced performance of such bulk heterojunction solar cells. Furthermore, we show a strong influence of the pre-deposited p-doped hole transport layer on the molecular phase separation. In the third part, we study the dependency of the open circuit voltage on the mixing ratio of C60 and ZnPc in bulk heterojunction solar cells. For the different mixing ratios we determine the ionization potentials of C60 and ZnPc. Over the various C60:ZnPc blends from 1:3 - 6:1, the ionization potentials change linearly, but different from each other and exhibit a correlation to the change in open circuit voltage. Depending on the mixing ratio an intrinsic ZnPc layer adjacent to the blend leads to injection barriers which result in reduced open circuit voltage. We hence determine a voltage loss dependent on ZnPc layer thickness and barrier height.:Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 15 2 History, Fundamentals, and Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.1 Organic semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2 Photovoltaic principle and organic solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . 42 2.3 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 61 3 Materials & Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 63 3.1 Organic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 63 3.1.1 Standard photoactive materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 63 3.1.2 Transport materials and dopants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . 67 3.1.3 Material purification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.2 Sample preparation and vacuum tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 70 3.2.1 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 70 3.2.2 Vacuum tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 70 3.2.3 Substrates and layer stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 73 3.3 Solar cell characterization tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 77 3.3.1 J(V)-measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3.2 EQE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4 Further characterization tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 79 3.4.1 UPS and XPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 79 3.4.2 OFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 81 3.4.3 AFM, SEM, TEM, and WAXRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.4.4 Optical Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.5 Simulation and modeling software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.5.1 Optical simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.5.2 Electrical simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4 Results: C70 as acceptor molecule for organic solar cells . . . . . . . . . . . . . . 85 4.1 Optical characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.2 Mobility measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 88 4.3 Ultraviolet photoelectron spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 89 4.4 p-i-i flat heterojunction solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 90 4.4.1 Di-NPD/fullerene flat heterojunction solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.4.2 ZnPc/fullerene flat heterojunction solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.5 p-i-i bulk heterojunction solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.5.1 p-i-i mixed C60:C70:ZnPc bulk heterojunction solar cell . . . . . . . . . . . 99 4.6 Outlook: fullerene C84 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 101 5 Results: Bulk heterojunction solar cells deposited on heated substrates . 103 5.1 150 nm thick C60:ZnPc blend layers in m-i-p bulk heterojunctions . . . . 103 5.2 60 nm thick C60:ZnPc blend layers in m-i-p bulk heterojunctions . . . . . 107 5.2.1 AFM and SEM measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.2.2 Absorption measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.3 X-Ray (WAXRD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 113 5.2.4 TEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 116 5.2.5 OFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 119 5.2.6 C70:ZnPc m-i-p bulk-heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 121 5.3 p-i-i bulk heterojunction solar cells deposited at 110°C . . . . . . . . . . . . 124 5.3.1 Influence of sublayer on blend layer morphology . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6 Results: On the influence of Voc in p-i-i bulk heterojunction solar cells . . 137 6.1 Dependency of Voc on C60:ZnPc mixing ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 6.2 Influence of different hole transport layers on C60:ZnPc . . . . . . . . . .. . 140 6.2.1 Red and blue illumination measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.2.2 Optical characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 6.2.3 UPS measurements for different C60:ZnPc mixing ratios . . . . . . . . .. 148 6.3 Influence of thin ZnPc and C70 interlayers on Voc . . . . . . . . . . . . . . .. . 152 6.3.1 UPS measurements of blend/ZnPc interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.3.2 Blend/ZnPc injection barrier: experiment and simulation . . . . . . . . . . 158 7 Conclusion and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171 / Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung und Forschung an organischen Solarzellen und gliedert sich in drei Teile. Im ersten Teil wird auf die spektroskopische und elektrische Charakerisierung des Fullerenderivates C70 eingegangen, welches als Akzeptormolekül in Kombination mit dem Donormolekül Zink-Phthalocyanin (ZnPc) in Flach- und Mischschichtheteroübergänge organischer Solarzellen Anwendung findet. Dabei wird das Molekül mit dem bisherigen Standard Akzeptormolekül C60 verglichen. Die deutlich stärkere und spektral verbreiterte Dünnschichtabsorption von C70, sowie die vergleichbaren elektrischen Eigenschaften zu C60 führen zu einer Effizienzsteigerung in den Flach- und Mischschichtsolarzellen, welche maßgeblich durch die Erhöhung des Kurzschlussstromes erreicht wird. Im zweiten Teil widmet sich diese Arbeit der Morphologiemodifizierung des Mischschichtsystems C60:ZnPc, welche durch Heizen des Substrates während der Mischverdampfung von Akzeptor- und Donormolekülen in organischen Mischschichtsolarzellen erreicht werden kann. Es wird gezeigt, dass mit der zusätzlichen Zufuhr thermischer Energie über das Substrat die Anordnung der Moleküle in der Mischschicht beeinflusst werden kann. Unter Verwendung eines Transmissionselektronmikroskops lässt sich für die Mischschicht mit der optimalen Solarzellensubstrattemperatur von 110°C eine Phasenseparation von C60 und ZnPc unter Ausbildung von polykristallinen ZnPc Domänen in der lateralen Dimension von 50 nm nachweisen. Mit zusätzlichen Messungen der Ladungsträgerbeweglichkeiten des Mischschichtsystems kann die verbesserte Perkolation und Löcherbeweglichkeit von ZnPc für die Steigerung der Performance geheizter Solarzellen bestätigt werden. Desweiteren wird gezeigt, dass die Ausbildung einer Phasenseparation sehr stark von der darunter liegenden Molekülschicht z.B. der p-dotierte Löchertransportschicht abhängig ist. Im letzten und dritten Teil geht die Arbeit auf die Abhängigkeit der Klemmspannung von der Mischschichtkonzentration von C60 und ZnPc ein. Für die unterschiedlichen Volumenkonzentrationen von C60:ZnPc zwishen 6:1 und 1:6 kann gezeigt werden, dass sich die Ionisationspotentiale von C60 und ZnPc über einen großen Bereich linear und voneinander verschieden verändern und mit den absoluten Änderung der offenenen Klemmspannung korrelieren. Desweiteren wird gezeigt, dass sich durch eine zusätzlich an die Mischschicht angrenzende intrinsische ZnPc Schicht, abhängig von der Mischschichtkonzentration, Injektionsbarrieren ausbilden, welche nachweislich einen Spannungsverlust bedingen. Dabei kann gezeigt werden, dass der Spannungsverlust mit der ZnPc Schichtdicke und der Barrierenhöhe korreliert.:Contents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 15 2 History, Fundamentals, and Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.1 History . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 2.2 Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.1 Organic semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.2 Photovoltaic principle and organic solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . 42 2.3 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 61 3 Materials & Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 63 3.1 Organic Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 63 3.1.1 Standard photoactive materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 63 3.1.2 Transport materials and dopants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ... . . 67 3.1.3 Material purification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 3.2 Sample preparation and vacuum tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 70 3.2.1 Sample preparation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 70 3.2.2 Vacuum tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 70 3.2.3 Substrates and layer stacks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 73 3.3 Solar cell characterization tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 77 3.3.1 J(V)-measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.3.2 EQE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 3.4 Further characterization tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 79 3.4.1 UPS and XPS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 79 3.4.2 OFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 81 3.4.3 AFM, SEM, TEM, and WAXRD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 3.4.4 Optical Spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 3.5 Simulation and modeling software . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.5.1 Optical simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 3.5.2 Electrical simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84 4 Results: C70 as acceptor molecule for organic solar cells . . . . . . . . . . . . . . 85 4.1 Optical characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 4.2 Mobility measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 88 4.3 Ultraviolet photoelectron spectroscopy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 89 4.4 p-i-i flat heterojunction solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 90 4.4.1 Di-NPD/fullerene flat heterojunction solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90 4.4.2 ZnPc/fullerene flat heterojunction solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 4.5 p-i-i bulk heterojunction solar cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95 4.5.1 p-i-i mixed C60:C70:ZnPc bulk heterojunction solar cell . . . . . . . . . . . 99 4.6 Outlook: fullerene C84 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 101 5 Results: Bulk heterojunction solar cells deposited on heated substrates . 103 5.1 150 nm thick C60:ZnPc blend layers in m-i-p bulk heterojunctions . . . . 103 5.2 60 nm thick C60:ZnPc blend layers in m-i-p bulk heterojunctions . . . . . 107 5.2.1 AFM and SEM measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 5.2.2 Absorption measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111 5.2.3 X-Ray (WAXRD) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 113 5.2.4 TEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 116 5.2.5 OFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. .. 119 5.2.6 C70:ZnPc m-i-p bulk-heterojunctions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . 121 5.3 p-i-i bulk heterojunction solar cells deposited at 110°C . . . . . . . . . . . . 124 5.3.1 Influence of sublayer on blend layer morphology . . . . . . . . . . . . . . . . 128 6 Results: On the influence of Voc in p-i-i bulk heterojunction solar cells . . 137 6.1 Dependency of Voc on C60:ZnPc mixing ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137 6.2 Influence of different hole transport layers on C60:ZnPc . . . . . . . . . .. . 140 6.2.1 Red and blue illumination measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143 6.2.2 Optical characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146 6.2.3 UPS measurements for different C60:ZnPc mixing ratios . . . . . . . . .. 148 6.3 Influence of thin ZnPc and C70 interlayers on Voc . . . . . . . . . . . . . . .. . 152 6.3.1 UPS measurements of blend/ZnPc interfaces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155 6.3.2 Blend/ZnPc injection barrier: experiment and simulation . . . . . . . . . . 158 7 Conclusion and Outlook . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167 Bibliography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171

Das wesentliche Ziel dieser Doktorarbeit ist es, die Zusammenhänge zwischen der Struktur von kleinen organischen Molekülen, deren Anordnung in der Dünnschicht und der Effizienz organischer Solarzellen zu beleuchten. Die Kombination der komplementären Methoden spektroskopischer Ellipsometrie (VASE) und Röntgenstreuung, vor allem der unter streifendem Einfall (GIXRD), hat sich als sehr effiient für die Strukturuntersuchungen organischer Dünnschichten erwiesen. Zusammen geben sie einen detailreichen Einblick in die intermolekulare Anordnung, die Kristallinität, die molekulare Orientierung, die optischen Konstanten n und k und die Phasenseparation von organischen Schichten. Zusätzlich wird die Topografie der organischen Dünnschicht mit Rasterkraftmikroskopie untersucht. Der erste Fokus liegt auf der Analyse des Dünnschichtwachstums von Zink-Phthalocyanin (ZnPc) Einzelschichten. Für alle untersuchten Schichtdicken (5, 10, 25, 50 nm) und Substrattemperaturen (Tsub=30°C, 60°C, 90°C) zeigt ZnPc ein kristallines Schichtwachstum mit aufrecht stehenden ZnPc Molekülen. Um effiziente organische Solarzellen herzustellen, werden Donor- und Akzeptormoleküle üblicherweise koverdampft. Bei der Mischung von Donor- und Akzeptormolekülen bildet sich eine gewisse Phasenseparation aus, deren Form wesentlich für die Ladungsträgerextraktion entlang der Perkolationpfade ist. Der Ursprung dieser Phasenseparation wird innerhalb dieser Arbeit experimentell für ZnPc:C60 Absorber-Mischschichten untersucht. Um die Ausprägung der Phasenseparation zu variieren, werden verschiedene Tsub (30°C, 100°C, 140°C) und Mischverhältnisse (6:1, 3:1, 2:1, 1:1, 1:2, 1:3, 1:6) bei der Koverdampfung von ZnPc und C60 angewendet. GIXRD Messungen zeigen, dass hier der bevorzugte Kristallisationsprozess von C60 Molekülen die treibende Kraft für eine effiziente Phasenseparation ist. Solarzellen, die ZnPc:C60 Mischschichten mit verbesserter Phasenseparation enthalten (Tsub=140°C, 1:1), zeigen eine verbesserte Ladungsträgerextraktion und somit eine höhere Effizienz von 3,0% im Vergleich zu 2,5% für die entsprechende Referenzsolarzelle (Tsub=30°C, 1:1). Im zweiten Teil der Arbeit wird der Einfluss der Molekülorientierung auf die Dünnschichtabsorption beispielhaft an ZnPc und Diindenoperylen (DIP) untersucht. DIP und ZnPc Moleküle, die auf schwach wechselwirkenden Substraten wie Glas, SiO2, amorphen organischen Transportschichten oder C60 aufgedampft sind, zeigen eine eher stehende Orientierung innerhalb der Dünnschicht in Bezug zur Substratoberfläche. Im Gegensatz dazu führt die Abscheidung auf stark wechselwirkenden Substraten, wie z.B. einer Gold- oder Silberschicht oder 0.5 nm bis 2 nm dünnen PTCDA (3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid) Templatschichten laut GIXRD und VASE Messungen dazu, dass sich die ZnPc und DIP Moleküle eher flach liegend orientieren. Dies führt zu einer wesentlich besseren Dünnschichtabsorption da das molekulare Übergangsdipolmoment jeweils innerhalb der Ebene des ZnPc und des DIP Moleküls liegt. Ein Einbetten von Gold- oder Silberzwischenschichten in organischen Solarzellen führt leider zu keinen klaren Abhängigkeiten, da die verbesserte Absorption durch die flach liegenden Moleküle von Mikrokavitäts- und plasmonischen Effekten überlagert wird. Ebenso wenig führte das Einfügen einer PTCDA-Zwischenschicht in organischen Solarzellen zum Erfolg, da hier Transportbarrieren den Effekt der verbesserten Absorption überlagern. Das letzte Kapitel konzentriert sich auf den Einfluss der Molekülstruktur auf das Dünnschichtwachstum am Beispiel von DIP und dessen Derivaten Ph4-DIP und P4-Ph4-DIP, Isoviolanthron und Bis-nFl-NTCDI (N,N-Bis(fluorene-2-yl)-naphthalenetetra-carboxylic Diimid) Derivaten. GIXRD Messungen belegen deutlich, dass die sterischen Behinderungen, hervorgerufen durch die Phenylringe (für Ph4-DIP und P4-Ph4-DIP) und Seitenketten (für Bis-nFl-NTCDI), ein amorphes Schichtwachstum induzieren. Im Vergleich sind die Dünnschichten von DIP und Bis-HFl-NTCDI kristallin. Bezüglich der Molekülorientierung und folglich der Absorption von DIP und dessen Derivaten kann ein starker Einfluss des Schichtwachstums beobachtet werden. In Solarzellen verhindert die Präsenz der Phenylringe eine effiziente Phasenseparation der Mischschichten aus (P4-)Ph4-DIP:C60, was zu einer verschlechterten Ladungsträgerextraktion und damit zu einem reduzierten Füllfaktor (FF) von 52% im Vergleich zu dem entsprechender DIP:C60 Solarzellen mit FF=62% führt Die Untersuchungen an der Bis-nFl-NTICDI Serie zeigen ein ähnliches Ergebnis: Auch hier zeichnen sich die amorphen Schichten aus Bis-nFl-NTCDI Molekülen mit Seitenketten durch schlechtere Transporteigenschaften aus als nanokristalline Bis-HFl-NTCDI Schichten. / The aim of this thesis is to demonstrate correlations between the molecular structure of small organic molecules, their arrangement in thin films, and the solar cell performance. For structure analysis of the organic thin films, the combination of variable angle spectroscopic ellipsometry (VASE) and grazing incidence X-ray diffraction (GIXRD) as complementary methods turned out to be a powerful combination. Using both methods, it is possible to obtain information about the crystallinity, crystallite size, intermolecular arrangement, mean molecular orientation, optical constants n and k, and phase separation within thin films. In addition, the topography of thin films is analyzed by atomic force microscopy. First, the thin film morphology of pristine zinc-phthalocyanine (ZnPc) films deposited at different substrate temperatures (Tsub=30°C, 60°C, 90°C) and for varying film thicknesses (5, 10, 25, 50 nm) is investigated. The ZnPc films grow highly crystalline with an upright standing molecular orientation with respect to the substrate surface for all investigated Tsub and all film thicknesses. In effcient organic solar cells, donor and acceptor molecules are commonly co-deposited to form a blend absorber film. This is usually accompanied by a certain phase separation between donor and acceptor molecules leads to a formation of percolation paths necessary to extract electrons and holes towards the electrodes. For ZnPc:C60 blends the origin of this phase separation process is analyzed by investigating different degrees of phase separation induced by film deposition at different Tsub (30°C, 100°C, 140°C) and for different blend ratios (6:1, ... , 1:6 (vol%)). GIXRD measurements indicate that the preferred crystallization of C60 is the driving force for good phase separation. Solar cells with improved phase separation of ZnPc:C60 blends (Tsub=140°C, 1:1) reveal a better charge carrier extraction and thus enhanced effciencies of 3.0% in comparison to 2.5% for the reference device (Tsub=30°C, 1:1). In the second part, the impact of molecular orientation within the absorber thin films on light harvesting is examined for pristine ZnPc and diindenoperylene (DIP) films. For film deposition on weakly interacting substrates like glass, SiO2, amorphous organic transport films, or C60, the orientation of DIP and ZnPc molecules is found to be upright standing. In contrast, GIXRD and VASE measurements show that films deposited onto strongly interacting substrates like Au and Ag, as well as on thin PTCDA templating layers lead to nearly flat-lying ZnPc and DIP molecules. Since the molecular transition dipole moment is oriented in the plane of the DIP and ZnPc molecules, the light absorption in films with flat-lying molecules is strongly improved. Unfortunately, an implementation of Au or Ag sublayers in organic solar cells does not result in reliable dependencies since the enhanced absorption by an improved molecular orientation is superimposed by different effects like microcavity and plasmonic effects. The implementation of PTCDA interlayers leads to transport barriers making the solar cell data interpretation difficult. In the last part, the influence of molecular structure on thin film growth is studied for DIP and its derivatives Ph4-DIP and P4-Ph4-DIP, isoviolanthrone, and Bis-nFl-NTCDI derivatives. GIXRD measurements reveal that steric hindrance is induced by the addition of side chains (for Bis-nFl-NTCDI) and phenyl rings (for Ph4-DIP and P4-Ph4-DIP) (N,N-Bis(fluorene-2-yl)-naphthalenetetra-carboxylic diimide) leading to an amorphous thin film growth. In contrast, DIP films and Bis-HFl-NTCDI films are found to be crystalline. The mean molecular orientation and hence the absorption is strongly affected by the different growth modes of DIP and its derivatives. In OSC, the presence of the phenyl rings prevents an effcient phase separation for (P4-)Ph4-DIP:C60 blends which causes diminished charge extraction in comparison to the crystalline DIP:C60 blends. For the Bis-nFl-NTCDI series, the transport properties are significantly worse in the amorphous films composed of Bis-nFl-NTCDI derivatives with alkyl chains in comparison to the nanocrystalline films made of the bare Bis-HFl-NTCDI.

In dieser Arbeit werden organische Feldeffekttransistoren (OFETs) aus den verschiedenen Materialien Manganphthalocyanin (MnPc), [6,6]Phenyl-C61-butansäuremethylester (PCBM), 6,13-Bis(triisopropylsilyethinyl)pentacen (TIPS-Pentacen) und N,N’- Bis(n-octyl)-1,6-Dicyanoperylen-3,4:9,10-Bis(Dicarboximid) (PDI8-CN2) hergestellt. Dabei finden unterschiedliche Abscheidemethoden wie die Molekularstrahlabscheidung, die Ultraschallsprühbeschichtung und die Drehbeschichtung Anwendung. Die Morphologie sowie die Funktionsweise der Transistoren werden in Abhängigkeit von den Herstellungsparametern und bezüglich ihrer Stabilität gegenüber Lufteinfluss und elektrischer Belastung charakterisiert. Durch Aufdampfen von MnPc konnten so zum ersten Mal ambipolare MnPc-OFETs hergestellt und charakterisiert werden. Die bestimmten Löcher- und Elektronenbeweglichkeiten bestätigen die Eignung von MnPc für die Anwendung in Spintronik-Bauelementen. Desweiteren wird anhand gesprühter PCBM- und TIPS-Pentacen-OFETs gezeigt, dass die Ultraschallsprühbeschichtung eine geeignete Technik ist, um organische Halbleiter aus Lösung für die Verwendung in OFETs abzuscheiden. Die Abscheidung organischer Filme lässt sich mit einer Vielzahl an Parametern beeinflussen und die Funktionsweise von OFETs optimieren. In Verbindung mit den Untersuchungen aufgeschleuderter PDI8-CN2-OFETs konnte ein erheblicher Einfluss der Oberflächenenergie des verwendeten SiO2-Gateisolators auf die Korngröße im organischen Film festgestellt werden.

Das Hauptthema dieser Dissertation ist die Untersuchung der Selbstorganisation organischer Moleküle an der Flüssig-Fest-Grenzfläche (LSI). Besondere Betonung liegt auf der Kontrolle der Selbstassemblierung durch geeignete Parameter: die Substrattemperatur während der Abscheidung, die Konzentration der gelösten Moleküle, und die chemische Natur der gelösten Stoffe und Lösungsmittel. Die Untersuchungen wurden unter Verwendung der Rastertunnelmikroskopie (STM) durchgeführt. Der erste Schwerpunkt dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung der Auswirkung erhöhter Substrattemperatur während der Abscheidung aus der Lösung auf die Selbstorganisation komplexer molekularer Architekturen an der LSI. Diese Untersuchungen wurden mit dem planaren Molekül Trimesinsäure (TMA), sowie dem nicht-planaren Molekül Benzen-1,3,5-triphosphonsäure (BTP) durchgeführt. Es wird gezeigt, dass der Polymorphismus der Adsorbatstrukturen von TMA und BTP durch die Substrattemperatur während der Abscheidung der Moleküle aus der Lösung für verschiedene Lösungsmitteln unterschiedlicher Polarität, wie Phenyloctan, Octansäure und Undecanol, kontrolliert werden kann. Durch die Erhöhung der Temperatur des vorgeheiztem Graphitsubstrates kann die spezifische 2D supramolekulare Struktur and die entsprechende Packungsdichte der Moleküle in der Adsorbatschicht für jedes der untersuchten Lösungsmittel präzise eingestellt werden. Weiterhin wird der Einfluss der Konzentration auf die resultierende Anordnung der TMA Moleküle an der LSI durch ein weiteres Experiment abgeschätzt, bei welchem Rühren (von 0 h bis 40 h) der Lösungen mit verschiedenen Lösungsmitteln eingesetzt wurde. Diese Ergebnisse zeigen, dass die verschiedenen Präparationsmethoden (Erhöhung der Abscheidetemperatur oder Rühren) zu derselben Tendenz der Änderung der geordneten Strukturen sowie der Packungsdichte führt, weswegen man schlussfolgern kann, dass die Erhöhung der Konzentration an der LSI bei erhöhter Abscheidetemperatur ebenso der Hauptgrund für die beobachteten Änderungen ist. Der zweite Schwerpunkt dieser Dissertation ist die Untersuchung von chemischen Reaktionen der selbstassemblierenden Moleküle. Eine Veresterungsreaktion von TMA mit Undecanol wurde gefunden. Weiterhin wurde, als ein erster Schritt zur Untersuchung der Zwillingspolymerisation, die Oligomerisation des Zwillingsmonomers 2,2’-spirobi [4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) mit STM an der Grenzfläche zwischen der SBS-Undecanol-Lösung und einer Graphitoberfläche untersucht. Erstens wurde durch Ultraschallbehandlung der SBS Lösung in Undecanol für verschieden lange Zeiten die Oligomerisation der SBS Monomere ohne einen Katalysator an der LSI beobachtet. Zweitens konnte die Oligomerisation auch durch Erhöhung der Substrattemperatur während der Abscheidung der Moleküle aus der Lösung initiiert werden. Durch die schrittweise Erhöhung der Temperatur des vorgeheizten Substrates konnten mehrere, verschiedene, periodische Anordnungen von Phenol‒Dimeren, ‒Trimeren, und –Pentameren u.s.w. gefunden werden. Weiterhin wird die Auswirkung der Abscheidetemperatur auf die Selbstorganisation an der LSI nur der Lösungsmittelmoleküle aus dem reinen Lösungsmittel beschrieben. Dies ist wichtig, da die Undecanol‒Moleküle stets mit den gelösten, in dieser Arbeit verwendeten Stoffen (TMA, BTP, SBS) koadsorbieren und lineare Muster bilden. / The main aim of this thesis is to study the self-assembly of organic molecules at the liquid-solid interface (LSI). Special emphasis is given to controlling the process of self-assembly via suitable parameters such as: the substrate temperature during the initial deposition, the concentration of dissolved molecules, or the chemical nature of solutes and solvents. The investigations are performed using scanning tunneling microscopy (STM). The first focus of this work is the systematic investigation of the effect of the substrate temperature during the deposition out of the solution on the self-assembly of complex molecular architectures at the LSI. These investigations have been done with the planar molecule trimesic acid (TMA), and the non-planar molecule benzene 1,3,5-triphosphonic acid (BTP). We show that the polymorphism of the adsorbate structures of TMA (also with BTP) can be controlled by the substrate temperature during the deposition of the molecules out of the solution for various solvents of different polarity such as phenyloctane, octanoic acid, and undecanol. By increasing the temperature of the pre-heated graphite substrate, the specific 2D supramolecular structure and the corresponding packing density in the adsorbate layer can be precisely tuned for each kind of the solvents studied. Furthermore, the influence of the concentration on the resulting self-assembly of TMA molecules at the LSI is estimated by another experiment using stirring (from 0 h to 40 h) of the solutions of different kinds of solvents. These results demonstrate that choosing different preparation methods (increasing deposition temperatures or stirring) lead to the same tendency in the change of the self-assembled structures as well as the tuning of the packing density from which it can also be concluded that the increase of the concentration at increased deposition temperatures is also the main reason for the observed changes. The second focus of this work is the investigation of chemical reactions of self-assembling molecules. The esterification of TMA with undecanol was observed. Moreover as a first step to study twin polymerization, the oligomerization of the twin monomer 2,2’-spirobi [4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) was investigated by STM at the SBS-undecanol solution/graphite interface. Firstly, by ultrasonicating the solution of SBS in undecanol for different times the oligomerization of SBS monomer without any catalyst has been observed at the LSI. Secondly, the oligomerization of SBS monomer can also be initiated by the substrate temperature during the deposition of the molecules out of the solution. By stepwise increasing the temperature of the pre-heated substrate, various periodic assemblies of phenolic dimer, trimer, pentamer resin, and so on were observed. Furthermore, the effect of deposition temperature on the self-assembly of solely solvent molecules from the pure liquid at the LSI is described, which is important because the undecanol solvent molecules are always co-adsorbed with the solutes used in this work (TMA, BTP, SBS) to form linear patterns.

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The topic of this work is the structural characterization and theoretical modeling of organic single and heterolayers. The growth of sub-monolayers and monolayers (ML) of the two polycyclic aromatic hydrocarbons quaterrylene (QT) and hexa-peri-hexabenzocoronene (HBC) on Ag(111) and Au(111) was investigated. A transition from a disordered, isotropic phase to an ordered phase with increasing coverage was found. The lattice of the ordered phase turned out to be coverage dependent. The intermolecular potential was modeled including Coulomb and van der Waals interaction by a force-field approach. The postulated repulsive character of the potential could be connected to the non-uniform intramolecular charge distribution and to a screening of the van der Waals forces. Furthermore, the influence of the variable lattice constant on the epitaxial growth of HBC was studied. The second part of this work deals with a ML of 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA) on a ML of HBC. In dependency on the initial lattice constant of HBC, a total of three line-on-line (LOL) and point-on-line coincident phases of PTCDA (with respect to HBC) was found. Following an analysis of the general properties of LOL coincident systems via force-field calculations, a new method to predict the structure of such systems is introduced. / Thema dieser Arbeit ist die strukturelle Charakterisierung von organischen Einfach- und Heterolagen sowie deren theoretische Beschreibung und Modellierung. Es wurden Submonolagen und Monolagen (ML) der polyzyklischen Kohlenwasserstoffe Quaterrylen (QT) und Hexa-peri-hexabenzocoronen (HBC) auf Ag(111) und Au(111) Einkristallen untersucht und ein Übergang von einer ungeordneten, isotropen Phase zu einer geordneten Phase mit steigender Bedeckung beobachtet. Die geordnete Phase wies dabei bedeckungsabhängige Gitterkonstanten auf. Das intermolekulare Potential wurde unter Berücksichtigung von Coulomb und van der Waals Anteilen mittels Kraftfeldmethoden modelliert. Der postulierte repulsive Charakter des Potentials konnte auf die Ladungsverteilung im Molekül und eine Abschwächung des van der Waals Potentials zurückgeführt werden. Weiterhin wurde der Einfluss der variablen HBC Gitterkonstante auf die epitaktische Relation des Gitters zum Metallsubstrat untersucht. Der zweite Teil der Arbeit widmet sich der Untersuchung einer ML 3,4,9,10-Perylenetetracarboxylic dianhydrid (PTCDA) auf einer ML HBC. Dabei wurden, in Abhängigkeit von der HBC Gitterkonstante, insgesamt drei verschiedene Typen von line-on-line bzw. point-on-line Epitaxie nachgewiesen. Im Anschluss an eine Analyse der generellen Eigenschaften solcher epitaktischer Lagen mittels Kraftfeldrechnungen wird eine neue Methode zur Vorhersage der Struktur konkreter Systeme vorgestellt.

Durch neue Ansätze zur Charakterisierung molekularer und nanokristalliner Materialien spiegelt die vorliegende Arbeit die Synergie von linearer Optik über Ultrakurzzeitphysik zur nichtlinearen Optik wider. Angefangen mit der linearen diffusen Reflektanz (Remission) zur Bestimmung des spektralen Reflexionsvermögens von Pulverpartikeln, erlaubt die hier gezeigte alternative Herangehensweise (s. Kapitel 2) nicht nur ein vereinfachtes Messen der Remission zur Analyse von Materialzusammensetzungen, Verunreinigungen und Co-Dotierungen, sondern eröffnet zudem über Monte-Carlo Simulationen, kombiniert mit der Kubelka-Munk Theorie und der Mie Streuung, auch den Zugang zu dem ansonsten experimentell unzugänglichen Absorptionskoeffizienten von nicht-transluzenten Proben. Die präsentierten Mess- und Simulationsergebnisse an Pulvertabletten aus Rutil-Titandioxid (TiO2) und Cer-dotierten Yttrium Aluminium Granat (YAG:Ce3+) sind mit den bisherigen in der Literatur vorliegenden Ergebnissen konsistent oder zumindest vergleichbar. Auch lassen sich nach Modifikation der Kubelka-Munk Funktion die Bandkanten-Energien Eg der mikro- und nanokristallinen Pulverproben mittels so genannter Tauc Plots verifizieren. Basierend auf einer starken Temperatur- und Konzentrationsabhängigkeit lassen sich die Emissionsspektren der oben genannten YAG:Ce3+-Leuchtstoffe aufgrund von Überlappung oder Verschiebung der energetischen Grundniveaus 2F5/2 und 2F7/2 variieren (s. Kapitel 3). Während sich bei Tieftemperaturen um 19K die doppelbandige Natur der Leuchtstoffe zeigt, verbreitern sich die Emissionsbanden bei Raumtemperatur zu einer Einzelbande, womit eine spektral sehr breite Fluoreszenz einhergeht. Mathematische Entfaltungen dieser Spektren zeigen jeweils den prozentualen Beitrag der Relaxation aus dem untersten angeregten Zustand 5d1 in einen der beiden Grundzustände 2F5/2 und 2F7/2 und ebenso den Einfluss der Temperatur und Cer-Konzentration. Tatsächlich führen die experimentellen Ergebnisse der vorliegenden Arbeit zu der Erkenntnis, dass eine der vier untersuchten YAG:Ce3+-Proben eine erhöhte Cer-Konzentration aufweisen muss. Anders als bei den schwach konzentrierten YAG:Ce3+-Proben ist die spektrale Doppelbande des stark konzentrierten Leuchtstoffs selbst bei 19K nur zu erahnen, während der Beitrag des 5d1 --> 2F7/2 Übergangs auf die Gesamtfluoreszenz retrograd zum 5d1 --> 2F5/2 Übergang mit steigender Temperatur sogar abnimmt. Im direkten Anschluss an die spektrale Vermessung der Proben folgen zeitaufgelöste Lebensdauermessungen zur Bestimmung der Nachleuchtdauern dieser Leuchtstoffe mittels Pikosekunden-Laserpulsen (ps-Pulse) (s. Kapitel 3.3). Auch hier stellen sich Unterschiede zwischen den genannten YAG:Ce3+-Proben heraus und untermauern erneut die Annahme unterschiedlicher Cer-Konzentrationen: Während die Nachleuchtdauer der niedrig konzentrierten Leuchtstoffe von der Temperatur nahezu unberührt bleibt, zeigt sich eine bemerkenswerte Temperaturabhängigkeit des 5d1 --> 2F5/2 Übergangs beim YAG:Ce3+ mit hohem Cer-Gehalt. Auf Basis sämtlicher experimenteller Erkenntnisse und einer ausgiebigen Literaturrecherche kann schließlich eine Fremddotierung der Leuchtstoff-Proben nahezu vollständig ausgeschlossen und ein Energieschema für die vorliegenden YAG:Ce3+-Leuchtstoffe mit den wichtigsten optischen Übergängen erstellt werden. In Hinblick auf potentielle holographische Applikationen wie der optischen Datenspeicherung oder Echtzeit-Holographie erweisen sich die in Polydimethylsiloxan eingebetteten photoschaltbaren Ruthenium-Sulfoxide aufgrund der äußerst geringen Beugungseffizienz von < 10−2 als nicht pragmatisch für die Praxis (s. Kapitel 4). Vergleichbare photoschaltbare Materialien, wie zum Beispiel Natriumnitrosylprussiat, erreichen hingegen Effizienzen von bis zu 100 %. Dennoch zeichnen sich die in Publikation 2 (s. Anhang A.2) vorgestellten Resultate an OSO-PDMS durch ihre äußerst hohe Qualität aus. Sowohl die dynamische Hologramm-Entstehung als auch die Rocking-Kurve folgen den physikalischen Theorien einwandfrei und lassen sich mit den bekannten mathematischen Anpassungen exakt wiedergeben, womit sich entsprechend intrinsische Größen ableiten lassen. Zudem beeindruckt der experimentelle Aufbau mit der präzisen Messung der oftmals nicht detektierbaren Nebenmaxima der gezeigten Rocking-Kurve sowie des Winkel-Multiplexings. Bemerkenswert ist außerdem aus physikalischer Sicht der immense Unterschied zwischen cw- und fs-Holographie. Hier deuten sich nichtlineare Effekte an, die zu der Erkenntnis führen, dass sich die bekannten Theorien mit cw-Lasern nicht ohne Weiteres deckungsgleich auf die Holographie mit ultrakurzen Laserpulsen anwenden lassen. Ein möglicher Erklärungsansatz ist in Kapitel 4.1 beschrieben. Einen praktischen Zweck zur Nutzung nichtlinearer Effekte erfüllt die vorgestellte Messmethode zur Unterscheidung polarer und nicht-polarer Materialien mittels intensiver fs- Puls-Anregung von sogenannten harmonischen (Upconversion-)Nanopartikeln (s. Kapitel 5). Denn anders als die zu Beginn behandelten Leuchtstoffe, weisen die harmonischen Nanopartikel eine starke Anti-Stokes Verschiebung durch Frequenzkonversion zweier oder dreier Photonen zu einem energiereicheren (kurzwelligen) Photon auf. Diese als SHG (second harmonic generation) und THG (third harmonic generation) bekannte Lichtemission wird spektral vermessen, wobei die zu Beginn der Arbeit beschriebenen linearen diffusen Reflektanzmessungen den zu erwartenden Spektralbereich ohne nennenswerte Absorption eingrenzen. Die eigens definierte Gütezahl fR, bestehend aus dem integrierten SHG- und THG-Emissionsspektrum einer Probe, kategorisiert dann die polare (fR > 1) oder nicht-polare (fR << 1) Natur des Materials.

Das Hauptthema dieser Dissertation ist die Untersuchung der Selbstorganisation organischer Moleküle an der Flüssig-Fest-Grenzfläche (LSI). Besondere Betonung liegt auf der Kontrolle der Selbstassemblierung durch geeignete Parameter: die Substrattemperatur während der Abscheidung, die Konzentration der gelösten Moleküle, und die chemische Natur der gelösten Stoffe und Lösungsmittel. Die Untersuchungen wurden unter Verwendung der Rastertunnelmikroskopie (STM) durchgeführt. Der erste Schwerpunkt dieser Arbeit ist die systematische Untersuchung der Auswirkung erhöhter Substrattemperatur während der Abscheidung aus der Lösung auf die Selbstorganisation komplexer molekularer Architekturen an der LSI. Diese Untersuchungen wurden mit dem planaren Molekül Trimesinsäure (TMA), sowie dem nicht-planaren Molekül Benzen-1,3,5-triphosphonsäure (BTP) durchgeführt. Es wird gezeigt, dass der Polymorphismus der Adsorbatstrukturen von TMA und BTP durch die Substrattemperatur während der Abscheidung der Moleküle aus der Lösung für verschiedene Lösungsmitteln unterschiedlicher Polarität, wie Phenyloctan, Octansäure und Undecanol, kontrolliert werden kann. Durch die Erhöhung der Temperatur des vorgeheiztem Graphitsubstrates kann die spezifische 2D supramolekulare Struktur and die entsprechende Packungsdichte der Moleküle in der Adsorbatschicht für jedes der untersuchten Lösungsmittel präzise eingestellt werden. Weiterhin wird der Einfluss der Konzentration auf die resultierende Anordnung der TMA Moleküle an der LSI durch ein weiteres Experiment abgeschätzt, bei welchem Rühren (von 0 h bis 40 h) der Lösungen mit verschiedenen Lösungsmitteln eingesetzt wurde. Diese Ergebnisse zeigen, dass die verschiedenen Präparationsmethoden (Erhöhung der Abscheidetemperatur oder Rühren) zu derselben Tendenz der Änderung der geordneten Strukturen sowie der Packungsdichte führt, weswegen man schlussfolgern kann, dass die Erhöhung der Konzentration an der LSI bei erhöhter Abscheidetemperatur ebenso der Hauptgrund für die beobachteten Änderungen ist. Der zweite Schwerpunkt dieser Dissertation ist die Untersuchung von chemischen Reaktionen der selbstassemblierenden Moleküle. Eine Veresterungsreaktion von TMA mit Undecanol wurde gefunden. Weiterhin wurde, als ein erster Schritt zur Untersuchung der Zwillingspolymerisation, die Oligomerisation des Zwillingsmonomers 2,2’-spirobi [4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) mit STM an der Grenzfläche zwischen der SBS-Undecanol-Lösung und einer Graphitoberfläche untersucht. Erstens wurde durch Ultraschallbehandlung der SBS Lösung in Undecanol für verschieden lange Zeiten die Oligomerisation der SBS Monomere ohne einen Katalysator an der LSI beobachtet. Zweitens konnte die Oligomerisation auch durch Erhöhung der Substrattemperatur während der Abscheidung der Moleküle aus der Lösung initiiert werden. Durch die schrittweise Erhöhung der Temperatur des vorgeheizten Substrates konnten mehrere, verschiedene, periodische Anordnungen von Phenol‒Dimeren, ‒Trimeren, und –Pentameren u.s.w. gefunden werden. Weiterhin wird die Auswirkung der Abscheidetemperatur auf die Selbstorganisation an der LSI nur der Lösungsmittelmoleküle aus dem reinen Lösungsmittel beschrieben. Dies ist wichtig, da die Undecanol‒Moleküle stets mit den gelösten, in dieser Arbeit verwendeten Stoffen (TMA, BTP, SBS) koadsorbieren und lineare Muster bilden.:Chapter 1: Introduction Chapter 2: Basic principle 2.1 Principles of scanning tunneling microscopy (STM) 2.1.1 General working principle 2.1.2 Tunneling effect 2.1.3 Theory of STM 2.1.4 Contrast mechanism of molecular adsorbates 2.1.5 Modes of STM operation 2.2 STM at the liquid-solid interface (LSI) 2.3 Thermodynamics and kinetics 2.3.1 Equilibrium of the adsorption/desorption and initial agglomeration at the LSI 2.3.2 Kinetic and thermodynamic control over 2D molecular self-assembly 2.4 Experimental condition 2.4.1 Role of solvent 2.4.2 Role of concentration 2.4.3 Role of temperature References Chapter 3: Experimental section 3.1 Solutes 3.1.1 Trimesic acid (TMA) (1,3,5?C6H3(COOH)3) 3.1.2 Benzene 1.3.5-Triphosphonic acid (BTP) (1,3,5?C6H3(PO3H2)3) 3.1.3 Twin monomer 2,2’-spirobi[4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) 3.2 Solvents 3.3 Substrate: Highly oriented pyrolytic graphite (HOPG (0001)) 3.4 Preparation of the STM tips 3.5 Experimental methods for sample preparation 3.5.1 Preparation of the solution 3.5.2 Heating of the substrate 3.5.3 Ultrasonication 3.5.4 Stirring 3.6 Computational details References Chapter 4: Deposition temperature? and solvent-dependent 2D supramolecular assemblies of trimesic acid at the liquid-graphite interface revealed by STM Results and discussion 4.1 Hydrogen bonding motifs of trimesic acid molecules 4.2 TMA deposited from solution in octanoic acid 4.3 TMA deposited from solution in phenyloctane 4.4 TMA deposited from solution in undecanol 4.6 Discussion of the solute–solvent interactions 4.5 Effect of the deposition substrate temperature on the formation of ester at the LSI of TMA in undecanol Conclusion References Chapter 5: Role of concentration on the self-assembly of TMA at the LSI influenced by stirring time Results and discussion 5.1 TMA in octanoic acid 5.2 TMA in phenyloctane 5.3 TMA in undecanol Conclusion References Chapter 6: Role of deposition temperature on the self-assembly of the non-planar molecule benzene- 1,3,5- triphosphonic acid (BTP) at the LSI Results and discussion 6.1 BTP in undecanol at room temperature 6.2 BTP in undecanol at high substrate temperature during deposition Conclusion References Chapter 7: Role of deposition temperature on the self-assembly of pure undecanol solvent at the LSI Results and discussion 7.1 Adsorption geometry of undecanol on HOPG 7.2 Herringbone structures of undecanol 7.3 Parallel structure of undecanol at high substrate temperature during deposition Conclusion References Chapter 8: A first step to microscopically study twinpolymerization: self-assembly of twin monomer 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) at the LSI influenced by ultrasonication and deposition substrate temperature 8.1 Coadsorption of SBS and undecanol without ultrasonication and at room temperature 8.2 SBS deposited from solution in undecanol in dependence on the duration of ultrasonication 8.3 SBS deposited from solution in undecanol at varied deposition temperature of the substrate 8.4 Discussion and open questions Appendix References CHAPTER 9: SUMMARY AND OUTLOOK ERKLÄRUNG CURRICULUM VITAE ACKNOWLEDGEMENT / The main aim of this thesis is to study the self-assembly of organic molecules at the liquid-solid interface (LSI). Special emphasis is given to controlling the process of self-assembly via suitable parameters such as: the substrate temperature during the initial deposition, the concentration of dissolved molecules, or the chemical nature of solutes and solvents. The investigations are performed using scanning tunneling microscopy (STM). The first focus of this work is the systematic investigation of the effect of the substrate temperature during the deposition out of the solution on the self-assembly of complex molecular architectures at the LSI. These investigations have been done with the planar molecule trimesic acid (TMA), and the non-planar molecule benzene 1,3,5-triphosphonic acid (BTP). We show that the polymorphism of the adsorbate structures of TMA (also with BTP) can be controlled by the substrate temperature during the deposition of the molecules out of the solution for various solvents of different polarity such as phenyloctane, octanoic acid, and undecanol. By increasing the temperature of the pre-heated graphite substrate, the specific 2D supramolecular structure and the corresponding packing density in the adsorbate layer can be precisely tuned for each kind of the solvents studied. Furthermore, the influence of the concentration on the resulting self-assembly of TMA molecules at the LSI is estimated by another experiment using stirring (from 0 h to 40 h) of the solutions of different kinds of solvents. These results demonstrate that choosing different preparation methods (increasing deposition temperatures or stirring) lead to the same tendency in the change of the self-assembled structures as well as the tuning of the packing density from which it can also be concluded that the increase of the concentration at increased deposition temperatures is also the main reason for the observed changes. The second focus of this work is the investigation of chemical reactions of self-assembling molecules. The esterification of TMA with undecanol was observed. Moreover as a first step to study twin polymerization, the oligomerization of the twin monomer 2,2’-spirobi [4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) was investigated by STM at the SBS-undecanol solution/graphite interface. Firstly, by ultrasonicating the solution of SBS in undecanol for different times the oligomerization of SBS monomer without any catalyst has been observed at the LSI. Secondly, the oligomerization of SBS monomer can also be initiated by the substrate temperature during the deposition of the molecules out of the solution. By stepwise increasing the temperature of the pre-heated substrate, various periodic assemblies of phenolic dimer, trimer, pentamer resin, and so on were observed. Furthermore, the effect of deposition temperature on the self-assembly of solely solvent molecules from the pure liquid at the LSI is described, which is important because the undecanol solvent molecules are always co-adsorbed with the solutes used in this work (TMA, BTP, SBS) to form linear patterns.:Chapter 1: Introduction Chapter 2: Basic principle 2.1 Principles of scanning tunneling microscopy (STM) 2.1.1 General working principle 2.1.2 Tunneling effect 2.1.3 Theory of STM 2.1.4 Contrast mechanism of molecular adsorbates 2.1.5 Modes of STM operation 2.2 STM at the liquid-solid interface (LSI) 2.3 Thermodynamics and kinetics 2.3.1 Equilibrium of the adsorption/desorption and initial agglomeration at the LSI 2.3.2 Kinetic and thermodynamic control over 2D molecular self-assembly 2.4 Experimental condition 2.4.1 Role of solvent 2.4.2 Role of concentration 2.4.3 Role of temperature References Chapter 3: Experimental section 3.1 Solutes 3.1.1 Trimesic acid (TMA) (1,3,5?C6H3(COOH)3) 3.1.2 Benzene 1.3.5-Triphosphonic acid (BTP) (1,3,5?C6H3(PO3H2)3) 3.1.3 Twin monomer 2,2’-spirobi[4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) 3.2 Solvents 3.3 Substrate: Highly oriented pyrolytic graphite (HOPG (0001)) 3.4 Preparation of the STM tips 3.5 Experimental methods for sample preparation 3.5.1 Preparation of the solution 3.5.2 Heating of the substrate 3.5.3 Ultrasonication 3.5.4 Stirring 3.6 Computational details References Chapter 4: Deposition temperature? and solvent-dependent 2D supramolecular assemblies of trimesic acid at the liquid-graphite interface revealed by STM Results and discussion 4.1 Hydrogen bonding motifs of trimesic acid molecules 4.2 TMA deposited from solution in octanoic acid 4.3 TMA deposited from solution in phenyloctane 4.4 TMA deposited from solution in undecanol 4.6 Discussion of the solute–solvent interactions 4.5 Effect of the deposition substrate temperature on the formation of ester at the LSI of TMA in undecanol Conclusion References Chapter 5: Role of concentration on the self-assembly of TMA at the LSI influenced by stirring time Results and discussion 5.1 TMA in octanoic acid 5.2 TMA in phenyloctane 5.3 TMA in undecanol Conclusion References Chapter 6: Role of deposition temperature on the self-assembly of the non-planar molecule benzene- 1,3,5- triphosphonic acid (BTP) at the LSI Results and discussion 6.1 BTP in undecanol at room temperature 6.2 BTP in undecanol at high substrate temperature during deposition Conclusion References Chapter 7: Role of deposition temperature on the self-assembly of pure undecanol solvent at the LSI Results and discussion 7.1 Adsorption geometry of undecanol on HOPG 7.2 Herringbone structures of undecanol 7.3 Parallel structure of undecanol at high substrate temperature during deposition Conclusion References Chapter 8: A first step to microscopically study twinpolymerization: self-assembly of twin monomer 2,2’-Spirobi[4H-1,3,2-benzo-dioxasiline] (SBS) at the LSI influenced by ultrasonication and deposition substrate temperature 8.1 Coadsorption of SBS and undecanol without ultrasonication and at room temperature 8.2 SBS deposited from solution in undecanol in dependence on the duration of ultrasonication 8.3 SBS deposited from solution in undecanol at varied deposition temperature of the substrate 8.4 Discussion and open questions Appendix References CHAPTER 9: SUMMARY AND OUTLOOK ERKLÄRUNG CURRICULUM VITAE ACKNOWLEDGEMENT