Optofluidics is a new branch within photonics which attempts to unify concepts from optics and microfluidics. Unification of photonics and microfluidics enable us to carry out analysis of fluids through highly sensitive optical sensing device. These optical sensing devices are contained within a microchip, wherein light is made to pass through analyte (fluids of few nanoliters). The interaction between light and fluid gives rise to highly sensitive diagnostic systems. In this work the fabrication and performance characterization of a fluorescent green OLED for optofluidic applications is presented. The effect of thickness variation of hole injection (CuPc) and hole blocking (BCP) layers on the performance of fluorescent green organic light emitting diodes (OLEDs) have been studied. Even though these two organic layers have opposite functions, yet there is a particular combination of their thicknesses when they function in conjunction and luminous efficiency and power efficiency are maximized. The optimum thickness of CuPc layer, used as hole injection layer and BCP used as hole blocking layer were found to be 18 nm and 10 nm respectively. It is with this delicate adjustment of thicknesses, charge balancing was achieved and luminous efficiency and power efficiency were optimized. Such OLEDs with higher luminance can be monolithically integrated with other optical and fluidic components on a common substrate and can function as monolithically integrated internal source of light in optofluidic sensors. In this work the analysis of a fully integrated optofluidic lab-on-a-chip sensor for refractive index and absorbance based sensing using fluorescent green organic light emitting diode (OLED) as a light source is also presented. This device consists of collinear input and output waveguides which are separated by a microfluidic channel. When light is passed through the analyte contained in the fluidic gap an optical power loss due to absorption of light takes place. Apart from absorption a mode-mismatch between collinear input and output waveguide also occurs. The degree of mode-mismatch, quantum of optical power loss due to absorption of light by the fluid forms the basis of our analysis. Detection of minutest change in refractive index and changes in concentration of species contained in the analyte is indicative of sensitivity. Various parameters which influence the sensitivity of the sensor are mode spot size, refractive index of the fluid, molar concentration of the species contained in the analyte, width of the fluidic gap, waveguide geometry. By correlating various parameters, an optimal fluidic gap distance corresponding to a particular mode spot size to achieve the best sensitivity for refractive index based sensing and absorbance based sensing have been determined.

A numerical model and results for the quantitative simulation of multilayer organic light emitting diode (OLED) and organic solar cell (OSC) are presented. In the model, effects like bipolar charge carrier drift and diffusion with field-dependent mobilities, trapping, dopants, indirect and direct bimolecular recombination, singlet Frenkel exciton diffusion, normal decay and quenching effects are taken into account. For an adequate description of multilayer devices with energetic barriers at interfaces between two adjacent organic layers, thermally assisted charge carrier hopping through the interface, interface recombination, and formation of interface charge transfer (CT) states have been introduced in the model. For the simulation of OSC, the generation of carrier pairs in the mixed layer or at the interface is additionally implemented. The light absorption profile is calculated from optical simulations and used as an input for the electrical simulation. The model is based on three elements: the Poisson equation, the rate equations for charge carriers and the rate equations for singlet Frenkel excitons. These equations are simultaeously solved by spatial and temporal discretisation using the appropriate boundary conditions and electrical parameters. The solution is found when a steady state is reached, as indicated by a constant value of current density. The simulation provides a detailed look into the distribution of electric field and concentration of free and trapped carriers at a particular applied voltage. For organic light emitting diodes, the numerical model helps to analyze the problems of different structures and provides deeper insight into the relevant physical mechanisms involved in device operation. Moreover, it is possible to identify technological problems for certain sets of devices. For instance, we could show that ? in contrast to literature reports - the contact between Alq3 and LiF/Al did not show ohmic behaviour for the series of devices. The role of an additional organic blocking layer between HTL and EML was presented. The explanation for the higher creation efficiency for singlet excitons in the three-layer structure is found in the separation of free holes and electrons accumulating close to the internal interface 1-Naphdata/Alq3. The numerical calculation has demonstrated the importance of controlled doping of the organic materials, which is a way to obtain efficient light emitting diodes with low operating voltage. The experimental results has been reproduced by numerical simulation for a series of OLEDs with different thicknesses of the hole transport layer and emitting layer and for doped emitting layers. The advantages and drawbacks of solar cells based on flat heterojunctions and bulk heterojunctions are analyzed. From the simulations, it can be understood why bulk-heterojunctions typically yield higher photocurrents while flat heterojunctions typically feature higher fill factors. In p-i-n ?structures, p and n are doped wide gap materials and i is a photoactive donor-acceptor blend layer using, e.g,. zinc phthalocyanine as a donor and C60 as an acceptor component. It is found that by introducing trap states, the simulation is able to reproduce the linear dependence of short circuit currents on the light intensity. The apparent light-induced shunt resistance often observed in organic solar cells can also be explained by losses due to trapping and indirect recombination of photogenerated carriers, which we consider a crucial point of our work. However, these two effects, the linear scaling of the photocurrent with light intensity and the apparent photoshunt, could also be reproduced when field-dependent geminate recombination is assumed to play a dominant role. First results that show a temperature independent short circuit photocurrent favour the model based on trap-mediated indirect recombination.

A novel, non-volatile, organic capacitive memory device called p-i-n-metal-oxide-semiconductor (pinMOS) memory is demonstrated with multiple-bit storage that can be programmed and read out electrically and optically. The diode-based architecture simplifies the fabrication process, and makes further optimizations easy, and might even inspire new derived capacitive memory devices. Furthermore, this innovative pinMOS memory device features local charge up of an integrated capacitance rather than of an extra floating gate. Before the device can perform as desired, the leakage current due to the lateral charge up of the doped layers outside the active area needs to be suppressed. Therefore, in this thesis, lateral charging effects in organic light-emitting diodes (OLEDs) are studied first. By comparing the results from differently structured devices, the presence of centimeter-scale lateral current flows in the n-doped and p-doped layers is shown, which results in undesirable capacitance increases and thus extra leakage currents. Such lateral charging can be controlled via structuring the doped layers, leading to extremely low steady-state leakage currents in the OLED (here 10-7 mA/cm2 at -1 V). It is shown that these lateral currents can be utilized to extract the conductivity as well as the activation energy of each doped layer when modeled with an RC circuit model. Secondly, pinMOS memory devices that are based on the diode with structured doped layers are investigated. The memory behavior, which is demonstrated as capacitance switching for electrical signals, and light emission for optical signals, can be tuned either by the applied voltage or ultraviolet light illumination, respectively. The working mechanism is explained by the existence of quasi steady-states as well as the width variation of space charge zones. The pinMOS memory shows excellent repeatability, an endurance of more than 104 write-read-erase-read cycles, and currently already over 24 h retention time. Furthermore, an early-stage investigation on emulating synaptic plasticity reveals the potential of pinMOS memory for applications in neuromorphic computing. Overall, the results indicate that pinMOS memory in principle is promising for a variety of future applications in both electronic and photonic circuits. A detailed understanding of this new concept of memory device, for which this thesis lays an important foundation, is necessary to proceed with further enhancements.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of organic semiconductors 5 2.1 Electronic states of a molecule 5 2.1.1 Atomic orbitals and molecular orbitals 5 2.1.2 Solid states 9 2.1.3 Singlet and triplet states 12 2.2 Charge transport 13 2.2.1 Charge carrier mobility 13 2.2.2 Charge carrier transport 14 2.3 Charge injection 17 2.3.1 Current limitation 17 2.3.2 Charge injection mechanisms 20 2.4 Doping 22 3 Organic junctions and devices 25 3.1 Metal-semiconductor junction 25 3.1.1 Schottky junction 25 3.1.2 Surface states 27 3.2 Metal-oxide-semiconductor capacitor 29 3.3 Junctions and diodes 31 3.3.1 PN junction and diode 31 3.3.2 PIN junction and diode 32 4 Organic non-volatile memory devices 35 4.1 Basic concepts 35 4.2 Organic resistive memory devices 37 4.2.1 Device architecture and switching behavior 38 4.2.2 Working mechanisms 38 4.3 Organic transistor-based memory devices 41 4.3.1 Organic field-effect transistor and memory devices based thereon 41 4.3.2 Floating gate memory 43 4.3.3 Charge trapping memory 45 4.4 Organic ferroelectric memory devices 46 4.4.1 Ferroelectric capacitor memory 47 4.4.2 Ferroelectric transistor memory 48 4.4.3 Ferroelectric diode memory 49 5 Experimental methods 53 5.1 Device fabrication 53 5.2 Device characterization 55 5.3 Materials 57 6 Lateral current flow in semiconductor devices having crossbar electrodes 61 6.1 Introduction 61 6.2 Device architecture 62 6.3 Characteristics comparison between unstructured and structured devices 63 6.3.1 Charging measurement 63 6.3.2 Current-voltage characteristics 64 6.3.3 Capacitance-frequency characteristics 67 6.4 Influence of conductivity of doped layers 69 6.4.1 Dependence on doped layers thickness 69 6.4.2 Dependence on temperature 73 6.5 Lateral charging simulation 74 6.5.1 Analytical description 74 6.5.2 RC circuit simulation 76 6.5.3 Parameters for doped layers gained by simulation 79 6.6 Pseudo trap analysis 81 6.6.1 The pseudo trap density of states determination 81 6.6.2 The pseudo trap analysis under simulated identical conditions 84 6.7 Summary 85 7 The pinMOS memory: novel diode-capacitor memory with multiple-bit storage 87 7.1 Introduction 87 7.2 Device architecture 88 7.2.1 Dependence on layout and pixel 89 7.2.2 Fundamental memory behavior characterization 93 7.3 Working mechanism 96 7.3.1 Working mechanism of quasi-steady states 97 7.3.2 Working mechanism of dynamic states 101 7.4 Tunability of the memory effect 105 7.4.1 Operation parameters 106 7.4.2 Photoinduced tunability 108 7.4.3 Intrinsic layer thickness 110 7.5 Potential in neuromorphic computing application 111 7.5.1 Extracting capacitance at 0 V sequentially 112 7.5.2 Mimicking the long-term plasticity (LTP) behavior 113 7.6 Summary 114 8 Optoelectronic properties of pinMOS memory 117 8.1 Introduction 117 8.2 Measurement setup 117 8.3 pinMOS memory emission intensity 118 8.4 Pulse characteristics and device brightness 119 8.5 Conclusion 124 9 Conclusion 125 Bibliography 129 List of Figures 145 List of Tables 151 List of Abbreviations 153 Publications and Conference 157 Acknowledgment 159 / Es wird ein neuartiges, organisches kapazitives Speicherelement demonstriert, das p-i-n-Metalloxid-Halbleiter (pinMOS) Speicher genannt wird und eine Mehrfachbitspeicherung besitzt, die elektrisch und optisch programmiert und ausgelesen werden kann. Die auf einer Diode basierende Architektur vereinfacht den Herstellungsprozess sowie die weitere Optimierung und könnte sogar Inspiration für neue kapazitive Speichermedien sein. Darüber hinaus basiert dieses innovative pinMOS Speicherelement auf der lokalen Aufladung einer integrierten Kapazität und nicht auf einem zusätzlichem “Floating Gate”. Bevor das Speicherelement wie gewünscht funktioniert, muss der Leckstrom, der durch die laterale Aufladung der dotierten Schichten außerhalb des aktiven Bereichs verursacht wird, unterdrückt werden. Deshalb werden in dieser Arbeit zuerst die lateralen Aufladungseffekte in organischen Leuchtdioden (OLEDs) untersucht. Beim Vergleich verschiedener Device-Strukturen wird die Existenz von lateralen Stromflüssen im Zentimeterbereich in den n- und p-dotierten Schichten gezeigt, was zu einer unerwünschten erhöhten Kapazität und folglich einem höheren Leckstrom führt. Diese laterale Aufladung kann durch die Strukturierung der dotierten Schichten kontrolliert werden, was zu extrem geringen Gleichgewichtsleckströmen in den OLEDs (10-7 mA/cm2 bei -1 V) resultiert. Es wird auch gezeigt, dass die lateralen Ströme genutzt werden können um die spezifische Leitfähigkeit sowie die Aktivierungsenergie der einzelnen dotierten Schichten zu extrahieren, wenn diese mit einem RC-Modell modelliert werden. Im zweiten Teil werden pinMOS Speicherelemente, die auf der Diode mit strukturierten dotierten Schichten basieren, untersucht. Das Speicherverhalten, dass durch Kapazitätsschaltung für elektrische Signale und als Lichtemission für optische Signale gezeigt wird, kann entweder durch die angelegte Spannung, beziehungsweise durch die Belichtung mit ultraviolettem Licht eingestellt werden. Die Wirkungsweise wird durch die Existenz quasistatischer Gleichgewichte sowie durch die Größenänderung der Raumladungszonen erklärt. Der pinMOS Speicher zeigt eine hervorragende Wiederholbarkeit, eine Beständigkeit über mehr als 104 Schreiben-Lesen-Löschen-Lesen Zyklen und aktuell schon eine Retentionszeit von über 24 h. Weiterhin offenbaren erste Versuche in der Nachahmung von Neuronaler Plastizität das Potenzial von pinMOS Speichern für Anwendungen im “Neuromorphic Computing”. Insgesamt deuten die Ergebnisse an, dass pinMOS Speicher prinzipiell vielversprechend für eine Vielzahl von zukünftigen Anwendungen in elektronischen und photonischen Schaltkreisen ist. Ein tiefgreifendes Verständnis von diesem Konzept neuartiger Speicherelemente, für das diese Arbeit eine wichtige Grundlage bildet, ist notwendig, um weitere Verbesserungen zu entwickeln.:1 Introduction 1 2 Fundamentals of organic semiconductors 5 2.1 Electronic states of a molecule 5 2.1.1 Atomic orbitals and molecular orbitals 5 2.1.2 Solid states 9 2.1.3 Singlet and triplet states 12 2.2 Charge transport 13 2.2.1 Charge carrier mobility 13 2.2.2 Charge carrier transport 14 2.3 Charge injection 17 2.3.1 Current limitation 17 2.3.2 Charge injection mechanisms 20 2.4 Doping 22 3 Organic junctions and devices 25 3.1 Metal-semiconductor junction 25 3.1.1 Schottky junction 25 3.1.2 Surface states 27 3.2 Metal-oxide-semiconductor capacitor 29 3.3 Junctions and diodes 31 3.3.1 PN junction and diode 31 3.3.2 PIN junction and diode 32 4 Organic non-volatile memory devices 35 4.1 Basic concepts 35 4.2 Organic resistive memory devices 37 4.2.1 Device architecture and switching behavior 38 4.2.2 Working mechanisms 38 4.3 Organic transistor-based memory devices 41 4.3.1 Organic field-effect transistor and memory devices based thereon 41 4.3.2 Floating gate memory 43 4.3.3 Charge trapping memory 45 4.4 Organic ferroelectric memory devices 46 4.4.1 Ferroelectric capacitor memory 47 4.4.2 Ferroelectric transistor memory 48 4.4.3 Ferroelectric diode memory 49 5 Experimental methods 53 5.1 Device fabrication 53 5.2 Device characterization 55 5.3 Materials 57 6 Lateral current flow in semiconductor devices having crossbar electrodes 61 6.1 Introduction 61 6.2 Device architecture 62 6.3 Characteristics comparison between unstructured and structured devices 63 6.3.1 Charging measurement 63 6.3.2 Current-voltage characteristics 64 6.3.3 Capacitance-frequency characteristics 67 6.4 Influence of conductivity of doped layers 69 6.4.1 Dependence on doped layers thickness 69 6.4.2 Dependence on temperature 73 6.5 Lateral charging simulation 74 6.5.1 Analytical description 74 6.5.2 RC circuit simulation 76 6.5.3 Parameters for doped layers gained by simulation 79 6.6 Pseudo trap analysis 81 6.6.1 The pseudo trap density of states determination 81 6.6.2 The pseudo trap analysis under simulated identical conditions 84 6.7 Summary 85 7 The pinMOS memory: novel diode-capacitor memory with multiple-bit storage 87 7.1 Introduction 87 7.2 Device architecture 88 7.2.1 Dependence on layout and pixel 89 7.2.2 Fundamental memory behavior characterization 93 7.3 Working mechanism 96 7.3.1 Working mechanism of quasi-steady states 97 7.3.2 Working mechanism of dynamic states 101 7.4 Tunability of the memory effect 105 7.4.1 Operation parameters 106 7.4.2 Photoinduced tunability 108 7.4.3 Intrinsic layer thickness 110 7.5 Potential in neuromorphic computing application 111 7.5.1 Extracting capacitance at 0 V sequentially 112 7.5.2 Mimicking the long-term plasticity (LTP) behavior 113 7.6 Summary 114 8 Optoelectronic properties of pinMOS memory 117 8.1 Introduction 117 8.2 Measurement setup 117 8.3 pinMOS memory emission intensity 118 8.4 Pulse characteristics and device brightness 119 8.5 Conclusion 124 9 Conclusion 125 Bibliography 129 List of Figures 145 List of Tables 151 List of Abbreviations 153 Publications and Conference 157 Acknowledgment 159

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf der Entwicklung von Technologien und Prozessen, welche die Marktakzeptanz organischer Leuchtdioden (OLED) durch Steigerung der Effizienz und Leuchtdichtehomogenität erhöhen. Dazu werden die Fertigungskosten durch neuartige Herstellungsverfahren reduziert und die Realisierung von effizienten, großflächigen (> 300×300 mm2) und homogen leuchtenden OLED-Modulen in beliebiger Modulform ermöglicht. Um dies zu erreichen, wurden folgende drei Ansätze verfolgt: 1. Die Optimierung der Strukturierung dünner Schichten bei Substraten für die organische Elektronik unter Verwendung der Technologien Siebdruck und Laserablation. Es werden neuartige Druckpasten auf ihre Eigenschaften hin untersucht und deren Eignung für die Substratstrukturierung bei OLEDs mittels Testmodulen elektro-optisch charakterisiert. Weiterhin steht die Verringerung der parasitären Leckströme durch einen optimierten Laserablationsprozess zur Grundelektrodenstrukturierung und einer Variation der Dicke der Löchertransportschicht im Fokus. 2. Die Realisierung einer schattenmasken- und photolithografiefreien seriellen elektrischen Verschaltung von mehreren kleinen OLED-Segmenten zu einem großen Gesamtmodul. Dazu werden ein Verfahren für die Erzeugung einer elektrischen Verbindung zwischen Top- und Grundelektrode sowie zwei hochinnovative Verfahren zur Separation einer vollflächig abgeschiedenen Topelektrode entwickelt und auf ihre Eignung hin validiert. 3. Die Verbesserung der Lichtauskopplung aus OLED-Modulen mittels einer modulinternen Streuschicht. Es werden fünf unterschiedliche Streupartikelarten und zwei Matrixmaterialien untersucht und deren Auswirkungen auf die Lichtauskopplung anhand von OLED-Testmodulen charakterisiert. Die entwickelten Verfahren und Prozessen basieren auf den Technologien Siebdruck und Laserablation, sind explizit für die Fertigung flexibler Module auf Basis von Trägermaterialien wie Dünnglas oder Polymerfolien sowie einem Rolle-zu-Rolle-Herstellungsverfahren geeignet und können direkt in eine großserientechnische Herstellung von OLED-Modulen überführt werden. / The focus of this work is upon the development of technologies and processes to increase the efficiency and brightness homogeneity of organic light-emitting diodes (OLEDs) in order to improve their market acceptance. Additionally, manufacturing costs will be reduced by adopting the new processes and it will be shown that the production of efficient, large-area (up to 300 × 300 mm2) and uniformly bright OLED modules of an arbitrary shape is possible. To achieve this, three approaches were followed: 1. The optimization of the structuring of thin layers on substrates for organic electronics using screen printing and laser ablation. To achieve this, the properties of novel printing pastes were determined, and their suitability for structuring substrates was assessed using results from the electro-optical characterization of test modules. Furthermore, the parasitic leakage current was minimized by optimizing the laser ablation process used for the structuring of the bottom electrode, together with the thickness of the hole transport layer. 2. The electrical connection in series of several small OLED segments to make a larger module without the need for shadow masks or photolithographic processes was studied. This included the development of a technique to connect the top and bottom electrodes, as well as two highly innovative methods to produce a completely separated top electrode using structuring by laser ablation. The suitability of these methods for OLED production was confirmed. 3. A scattering layer within the modules was developed to improve the light outcoupling. Five types of scattering particle in two different matrix materials were examined, and the effects of the resulting scattering layer on the outcoupling from an OLED test module were characterized. The newly developed processes make use of screen printing and laser ablation and are thus well suited to the production of flexible OLED modules using support materials such as thin glass or polymer foils with roll-to-roll processing. Accordingly, such technologies could readily be transferred to the large volume production of OLED modules.

This work focusses on the development of top-emitting white organic light-emitting diodes (OLEDs), which can be fabricated on metal substrates. Bottom-emitting OLEDs have been studied intensively over the years and show promising perspectives for future commercial applications in general lighting. The development of top-emitting devices has fallen behind despite the opportunities to produce these devices also on low-cost opaque substrates. This is due to the challenges of top-light-emission concerning the achievement of a broad and well-balanced white emission spectrum in presence of a strong microcavity. The following work is a further step towards the detailed understanding and optimization of white top-emitting OLEDs. First, the available metal substrates and the deposited silver electrodes are examined microscopically to determine their surface characteristics and morphology in order to assess their applicability for thin-film organic stacks of OLEDs. The examination shows the suitability for untreated Alanod metal substrates, which display low surface roughness and almost no surface defects. For the deposited silver anodes, investigations via AFM show a strong influence of the deposition rate on the surface roughness. In the main part of the work top-emissive devices with both hybrid and all-phosphorescent architecture are investigated, in which three or four emitter materials are utilized to achieve maximum performance. The feasibility for top-emitting white OLEDs in first and second order devices is investigated via optical simulations, using the example of a three-color hybrid OLED. Here, the concept of a dielectric capping layer on top of the cathode is an essential criterion for broadband and nearly angle independent light emission. The main focus concerning the investigation of fabricated devices is the optimization of the organic stacks to achieve high efficiencies as well as excellent color quality of warm white emission. The optimization of the hybrid layer structure based on three emitter materials using a combined aluminum-silver anode mirror resulted in luminous efficacies up to 13.3 lm/W and 5.3 % external quantum efficiency. Optical analysis by means of simulation revealed a superior position concerning internal quantum efficiency compared to bottom-emitting devices with similar layer structure. The devices show an enhanced emission in forward direction compared to an ideal Lambertian emitter, which is highly preferred for lighting applications. The color quality - especially for devices based on a pure Al anode - is showing excellent color coordinates near the Planckian locus and color rending indices up to 77. The introduction of an additional yellow emitter material improves the luminous efficacy up to values of 16.1 lm/W and external quantum efficiencies of 5.9 %. With the choice of a all-phosphorescent approach, using orange-red, light blue and green emitter materials, luminous efficacies of 21.7 lm/W are realized with external quantum efficiencies of 8.5 %. Thereby, color coordinates of (x, y) = (0.41, 0.45) are achieved. Moreover, the application of different crystalline capping layers and alternative cathode materials aim at a scattering of light that further reduces the angular dependence of emission. Experiments with the crystallizing material BPhen and thin carbon nanotube films (CNT) are performed. Heated BPhen capping layer with a thickness of 250 nm show a lower color shift compared to the NPB reference capping layer. Using CNT films as cathode leads to a broadband white emission at a cavity thickness of 160 nm. However, due to very high driving voltages needed, the device shows low luminous efficacy. Finally, white top-emitting organic LEDs are successfully processed on metal substrates. A comparison of three and four color based hybrid devices reveal similar performance for the devices on glass and metal substrate. Only the devices on metal substrate show slightly higher leakaged currents. During repeated mechanical bending experiments with white devices deposited on 0.3 mm thin flexible Alanod substrates, bending radii up to 1.0 cm can be realized without device failure. / Diese Arbeit richtet ihren Schwerpunkt auf die Entwicklung von top-emittierenden weißen organischen Leuchtdioden (OLEDs), welche auch auf Metallsubstraten gefertigt werden können. Im Laufe der letzten Jahre wurden bottom-emittierende OLEDs sehr intensiv studiert, da sie vielversprechende Perspektiven für zukünftige kommerzielle Anwendungen in der Allgemeinbeleuchtung bieten. Trotz der Möglichkeit, OLEDs auch auf kostengünstigen lichtundurchlässigen Substraten fertigen zu können, blieb die Entwicklung von top-emittierenden Bauteilen dabei allerdings zurück. Dies läßt sich auf die enormen Herausforderungen von top-emittierenden OLEDs zurückführen, ein breites und ausgeglichenes weißes Abstrahlungsspektrum in Gegenwart einer Mikrokavität zu generieren. Die folgende Arbeit liefert einen Beitrag zum detaillierten Verständnis und der Optimierung von weißen top-emittierenden OLEDs. Zunächst werden die verfügbaren Metallsubstrate und abgeschiedenen Silberelektroden auf ihre Oberflächeneigenschaften und Morphologie mikroskopisch untersucht, um damit ihre Verwendbarkeit für organische Dünnfilmstrukturen in OLEDs einzuschätzen. Die Untersuchung zeigt eine Eignung von unbehandelten Alanod Metallsubstraten auf, welche eine niedrige Oberflächenrauigkeit und fast keine Oberflächendefekte besitzen. Bei den abgeschiedenen Silberelektroden zeigen Untersuchungen mit dem Rasterkraftmikroskop eine starke Beeinflussung der Oberflächenrauigkeit durch die Aufdampfrate. Im Hauptteil der Arbeit werden top-emittierende Dioden mit hybrid und voll-phosphoreszenter Architektur untersucht, in welcher drei oder vier Emittermaterialien verwendet werden, um eine optimale Leistungscharakteristik zu erreichen. Die Realisierbarkeit von top-emittierenden weißen OLEDs in Dioden erster und zweiter Ordnung wird durch optische Simulation am Beispiel einer dreifarb-OLED mit Hybridstruktur ermittelt. Dabei ist das Konzept der dielektrischen Deckschicht - aufgebracht auf die Kathode - ein essenzielles Kriterium für breitbandige und annähernd winkelunabhängige Lichtemission. Der Schwerpunkt im Hinblick auf die Untersuchung von hergestellten Dioden liegt in der Optimierung der organischen Schichtstrukturen, um hohe Effizienzen sowie exzellente warmweiße Farbqualität zu erreichen. Im Rahmen der Optimierung von hybriden Schichtstrukturen basierend auf drei Emittermaterialien resultiert die Verwendung eines kombinierten Aluminium-Silber Anodenspiegels in einer Lichtausbeute von 13.3 lm/W und einer externen Quanteneffizienz von 5.3 %.Eine optische Analyse mit Hilfe von Simulationen zeigt eine überlegene Stellung hinsichtlich der internen Quanteneffizient verglichen mit bottom-emittierenden Dioden ähnlicher Schichtstruktur. Die Dioden zeigen eine verstärkte vorwärts gerichtete Emission im Vergleich zu einem idealen Lambertschen Emitter, welche in hohem Maße für Beleuchtungsanwendungen erwünscht ist. Es kann eine ausgezeichnete Farbqualität erreicht werden - insbesondere für Dioden basierend auf einer reinen Aluminiumanode - mit Farbkoordinaten nahe der Planckschen Strahlungskurve und Farbwiedergabeindizes bis zu 77. Die weitere Einführung eines zusätzlichen gelben Emittermaterials verbessert die Lichtausbeute auf Werte von 16.1 lm/W und die externe Quanteneffizient auf 5.9 %. Mit der Wahl eines voll-phosphoreszenten Ansatzes unter der Verwendung eines orange-roten, hellblauen und grünen Emittermaterials werden Lichtausbeuten von 21.7 lm/W und externe Quanteneffizienten von 8.5 % erzielt. Damit werden Farbkoordinaten von (x, y) = (0.41, 0.45) erreicht. Darüberhinaus zielt die Verwendung von verschiedenen kristallinen Deckschichten und alternativen Kathodenmaterialien auf eine Streuung des ausgekoppelten Lichts ab, was die Winkelabhängigkeit der Emission vermindern soll. Experimente mit dem kristallisierenden Material BPhen und dünnen Filmen aus Kohlenstoffnanoröhren werden dabei durchgeführt. Geheizte BPhen Deckschichten mit einer Schichtdicke von 250 nm zeigen eine geringere Farbverschiebung verglichen mit einer NPB Referenzdeckschicht. Die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren als Kathode führt zu einer breitbandigen weißen Emission bei einer Kavitätsschichtdicke von 160 nm. Schließlich werden weiße top-emittierende organische Leuchtdioden erfolgreich auf Metallsubstraten prozessiert. Ein Vergleich von drei- und vierfarb-basierten hybriden Bauteilen zeigt ähnliche Leistungsmerkmale für Dioden auf Glas- und Metallsubstraten. Während wiederholten mechanischen Biegeexperimenten mit weißen Dioden auf 0.3 mm dicken flexiblen Alanodsubstraten können Biegeradien bis zu 1.0 cm ohne Bauteilausfall realisiert werden.

An electrical driven organic solid state laser is a very challenging goal which is so far well beyond reach. As a step towards realization, we monolithically implemented an Organic Light Emitting Diode (OLED) into a dielectric, high quality microcavity (MC) consisting of two Distributed Bragg Reflectors (DBR). In order to account for an optimal optical operation, the OLED structure has to be adapted. Furthermore, we aim to excite the device not only electrically but optically as well. Different OLED structures with an emission layer consisting of Alq3:DCM (2 wt%) were investigated. The External Quantum Efficiencies (EQE) of this hybrid structures are in the range of 1-2 %, as expected for this material combination. Including metal layers into a MC is complicated and has a huge impact on the device performance. Using Transfer-Matrix-Algorithm (TMA) simulations, the best positions for the metal electrodes are determined. First, the electroluminescence (EL) of the adjusted OLED structure on top of a DBR is measured under nitrogen atmosphere. The modes showed quality factors of Q = 60. After the deposition of the top DBR, the EL is measured again and the quality factors increased up to Q = 600. Considering the two 25-nm-thick-silver contacts a Q-factor of 600 is very high. The realization of a suitable encapsulation method is important. Two approaches were successfully tested. The first method is based on the substitution of a DBR layer with a layer produced via Atomic Layer Deposition (ALD). The second method uses a 0.15-mm-thick cover glass glued on top of the DBR with a 0.23-µm-thick single-component glue layer. Due to the working encapsulation, it is possible to investigate the sample under ambient conditions.

In this work, well-defined and stable thin films based on polythiophene and its derivative, are employed as the hole-injection contact of organic light-emitting diodes (OLED). The polymer films are obtained by the electropolymerization or the electrochemical doping/dedoping of a spin-coated layer. Their electrical properties and energetics are tailored by electrochemical adjustment of their doping levels in order to improve the hole-injection from the anode as well as the performance of small molecular OLEDs. By using dimeric thiophene and optimizing the electrodeposition parameters, a thin polybithiophene (PbT) layer is fabricated with well-defined morphology and a high degree of smoothness by electro-polymerization. The introduction of the semiconducting PbT contact layer improves remarkably the hole injection between ITO anode and the hole- transport layer (NPB) due to its favourable energetic feature (HOMO level of 5.1 eV). The vapor-deposited NPB/Alq3 bilayer OLEDs with a thin PbT interlayer, show a remarkable reduction of the operating voltage as well as enhanced luminous efficiency compared to the devices without PbT. Investigations have also been made on the influence of PbT thickness on the efficiency and I-V feature as well as device stability of the OLED. It is demonstrated that the use of an electropolymerization step into the production of vapor deposited molecular OLED is a viable approach to obtain high performance OLEDs. The study on the PbT has been extended to poly(3,4-ethylenedioxythiophene) (PEDT) and the highly homogenous poly(styrenesulfonate) (PSS) doped PEDT layer from a spin-coating process has been applied. The doping level of PEDT:PSS was adjusted quantitatively by an electrochemical doping/dedoping process using a p-tuoluenesulfonic acid containing solution, and the redox mechanism was elucidated. The higher oxidation state can remain stable in the dry state. The work function of PEDT:PSS increases with the doping level after adjusting at an electrode potential higher than the value of the electrochemical equilibrium potential (Eeq) of an untreated film. This leads to a further reduction of the hole-injection barrier at the contact of the polymeric anode/hole transport layer and an ideal ohmic behavoir is almost achieved at the anode/NPB interface for a PEDT:PSS anode with very high doping level. Molecular Alq3-based OLEDs were fabricated using the electrochemically treated PEDT:PSS/ITO anode, and the device performance is shown to depend on the doping level of polymeric anode. The devices on the polymer anode with a higher Eeq than that for the unmodified anode, show a reduction of operating voltage as well as a remarkable enhancement of the luminance. Furthermore, it is found that the operating stability of such devices is also improved remarkably. This originates from the removal of mobile ions such as sodium ions inside the PEDT:PSS by electrochemical treatment as well as the planarization of the ITO surface by the polymer film. By utilizing an Al/LiF cathode with an enhanced electron injection and together with a high Eeq- anode, a balanced injection and recombination of hole and electron is achieved. It leads to a further reduction of the operating voltage and to a drastic improvement of EL efficiency of the device as high as 5.0 cd/A. The results demonstrate unambiguously that the electrochemical treatment of a cast polymer anode is an effective method to improve and optimize the performance of OLEDs. The method can be extended to other polythiophene systems and other conjugated polymers in the fabrication of the OLEDs as well as organic transistors and solar cells.

Transparente Elektroden (TE) sind unverzichtbar in modernen optoelektronischen Bauelementen. Die derzeitig am häufigsten verwendete TE ist Indium Zinn Oxid (ITO). Aufgrund der Nachteile von ITO setzt sich die vorliegende Arbeit mit ITO-Alternativen auseinander. Zwei Ansätze werden in dieser Arbeit untersucht. Der erste Ansatz beruht auf Dielektrikum/Metall/Dielektrikum (DMD) Filmen, im zweites Ansatz werden Silber Nanodrähten (NW) als TE untersucht. Im ersten Ansatz wurden DMD Elektroden auf Glas und Polyethylenterephthalat (PET) fabriziert. Eine Kombination von gesputterten TiOx/Ag/AZO Schichten lieferte die höchste jemals gemessene Transmission und Leitfähigkeit für eine Elektrode auf Glas und PET. Eine durchschnittliche Transmission größer als 85 % (inklusive Substrat) im Bereich von 400-700 nm und einen Schichtwiderstand von unter 6 Ω/sq wurden erreicht. Um die Leistung der TiOx/Ag/AZO Elektrode in einem Bauteil zu überprüfen, wurde sie in einer organischen Licht emittierenden Diode (OLED) implementiert. Die DMD-basierten OLEDs erreichten eine 30 % höhere Strom Effizienz auf Glas und eine 260 % höhere Strom Effizienz auf PET im Unterschied zu den ITO-basierten Bauteilen. Im zweiten Ansatz zur Realisierung flexibler transparenter Elektroden wurden NWs diskutiert. Die Implementierung von Nanodrähten in lösungsprozessierten organischen Licht emittierenden Dioden weißt noch immer zwei große Hürden auf: hohe Rauigkeit der Nanodrahtfilme und Wärmeempfindlichkeit von PET. Um die Rauigkeit zu verkleinern und gleichzeitig die Stabilität zu erhöhen werden zunächst die Nanodrähte in ein UV-härtendes Polymer eingebettet. Es wird eine Transmission von bis zu 80 % (inklusive Substrat) und ein Schichtwiderstand von 13 Ω/sq erreicht. Gleich wie bei den DMD Elektroden wurden auch NW Elektroden in eine OLED implementiert. Die Bauteile zeigten eine größere Flexibilität, Leitfähigkeit und Luminanz als die PET/ITO Referenzen während die selbe Leistungseffizienz erreicht wurde. / Transparent electrodes (TEs) are a key element in optoelectronics. TEs assure simultaneous light interaction with the active device layers and efficient charge carrier injection or extraction. The most widely used TE in today’s industry is indium tin oxide (ITO). However, there are downsides to the use of ITO. The scope of this thesis is to discuss alternatives to ITO. Two main approaches are examined in this thesis - one approach is based on using dielectric/metal/dielectric (DMD) films and the other is based on using silver nanowire (NW) films. For the first approach, a combination of sputtered TiOx/Ag/AZO was found to yield the highest transmittance and conductivity ever reported for an electrode on PET with an average transmittance larger than 85 % (including the substrate) in the range 400-700 nm and sheet resistance below 6 Ω/sq. To test the device performance of TiOx/Ag/AZO, DMD electrodes were implemented in organic light emitting diodes (OLEDs). DMD-based devices achieve up to 260 % higher efficacy on PET, as compared to the ITO-based reference devices. As a second approach, NWs were investigated. The implementation of silver nanowires as TEs in solution processed organic light emitting diodes still faces two major challenges: high roughness of nanowire films and heat sensitivity of PET. Therefore, within this thesis, an embedding process with different variations is elaborated to obtain highly conductive and transparent electrodes of NWs on flexible PET substrates. The NWs are embedded into a UV-curable polymer, to reduce the electrode roughness and to enhance its stability. A a transmittance of 80 % (including the substrate) and sheet resistance of 13 Ω/sq is achieved.

Organische Leuchtdioden weisen, verglichen mit anorganischen Leuchtdioden, viele Vorteile auf. So sind sie nicht nur energiesparender, sondern können auch in neuen flexiblen Technologien verwendet werden. Um ihr volles Potenzial auszuschöpfen, können zusätzliche Schichten und neue Materialien hinzugefügt werden. Der Ersatz spröder Elektroden durch dünne Metallschichten kann OLEDs flexibler machen, Zwischenschichten verbessern den Ladungstransport und neuartige Materialien können die Lösungsprozessierung von OLEDs vereinfachen. In den Kapiteln dieser Arbeit wurden je ein Ansatz zur Steigerung der Leistung von OLEDs untersucht. Es wurden dünne Silberschichten aus einer partikelfreien Silbertinte mittels Tintenstrahldruck hergestellt und ihre optischen sowie elektrischen charakterisiert. Die gedruckten Elektroden zeigen eine hohe Biegefestigkeit, bei gleichbleibend guten elektrischen Eigenschaften. Die damit hergestellten Leuchtdioden übertreffen in ihrer Effizienz Referenzdioden mit Indium Zinn Oxid Elektroden. Um die Effizienz organischer Leuchtdioden weiter steigern zu können wurden anschließend Zwischenschichten untersucht. Mittels einer gemischten Schicht aus Zinkoxid und einem Polymer konnte die Effizienz von invertierten Leuchtdioden signifikant gesteigert werden. Weiterhin wurden zwei neu synthetisierte Moleküle dazu verwendet, um die Benetzung von Perowskiten auf Elektroden zu verbessern und somit ihre Herstellbarkeit mittels Tintenstrahldruck zu ermöglichen. Abschließend wurde das Quervernetzen von Polymeren zur Herstellung von Mehrschichtsystemen erforscht. Hierbei wird ein die Löslichkeit eines Polymers durch verschiedene Ansätze verringert. Anhand des lichtemittierenden Polymers Super Yellow wurde dies demonstriert. Die Beständigkeit einer Schicht aus Super Yellow gegenüber Toluol konnte erfolgreich stark erhöht werden. Somit wurde eine nachfolgende Prozessierung einer zusätzlichen Schicht aus demselben Lösungsmittel ermöglicht. / Organic light-emitting diodes have many advantages compared to their inorganic counterparts. Not only can they be used more energy-efficiently, but they can also be used in new, flexible technologies. To reach their full potential, additional layers and new materials can be added. Replacing brittle electrodes with thin metal layers can make OLEDs more flexible, intermediate layers improve charge transport, and novel materials can simplify solution processing of OLEDs. In each of the chapters of this thesis, an approach to increasing the performance of OLEDs was examined. Thin silver layers were produced from a particle-free silver ink using inkjet. Their optical and electrical properties were characterized. The printed electrodes show a high flexural strength while retaining good electrical properties. The efficacy of the light-emitting diodes produced in this way exceeds that of reference diodes. To be able to further increase the efficiency of organic light-emitting diodes, intermediate layers made of new material combinations were subsequently investigated. The efficiency of inverted light-emitting diodes could be significantly increased by means of a blend intermediate layer made of zinc oxide and a polymer. Furthermore, two newly synthesized molecules were used to improve the wetting of perovskites on electrodes and thus enable their manufacturability using inkjet printing. Finally, crosslinking of polymers to fabricate multilayer devices was investigated. Here, the solubility of a polymer is reduced by various approaches. This principle was demonstrated using the light-emitting polymer Super Yellow. The resistance of a layer of Super Yellow against toluene was successfully reduced significantly. Thus, subsequent processing of an additional layer from the same solvent was made possible.

In der vorliegenden Arbeit wird die großflächige Abscheidung von organischen Leuchtdioden (OLED) für Beleuchtungsanwendungen in einer neuartigen Beschichtungsanlage vorgestellt. Ausgehend von den speziellen Anforderungen an gleichförmige Schichtdickenverteilung und hohe Abscheideraten für die organischen Schichten, sind die Verfahren der thermischen Vakuumverdampfung (VTE) und der organischen Dampfphasenabscheidung (OVPD) auf Substraten der Größe 370 x 470 mm² unter Fertigungsbedingungen kombiniert. Die Quellensysteme der Anlage wurden hinsichtlich der Verteilung des Materialauftrages und der Oberflächenrauigkeit qualifiziert. Die Kontrolle der Schichteigenschaften ist bei der organischen Dampfphasenabscheidung durch Variation der Parameter Substrattemperatur und Abscheiderate in einem weiten Bereich möglich. Die in situ Kontrolle der Schichtdicke mittels spektroskopischer Reflektometrie wird vorgestellt. Ein Messsystem ist in die Beschichtungsanlage integriert und abgeschiedene Schichten charakterisiert worden. Die Arbeit zeigt, dass die genaue Bestimmung der Dicke einzelner Schichten oder ganzer Schichtstapel mit diesem Verfahren möglich ist und zur ex situ Ellipsometrie vergleichbare Ergebnisse liefert. Um robuste OLED-Bauelemente herzustellen, wird eine organische Kurzschlussunterdrückungsschicht eingeführt, die konform mittels der OVPD-Technologie abgeschieden wird. Die strombegrenzenden Eigenschaften dieser Schicht wirken Defektströmen innerhalb der OLED entgegen. Die reproduzierbare Herstellung von 100 x 100 mm² großen, weißes Licht emittierenden OLED-Modulen mit mittleren Leistungseffizienzen von über 13 lm/W zeigt das Potential dieser Technologie. / The thesis deals with the large area deposition of organic light-emitting diodes (OLED) for lighting applications with a novel deposition tool. The special needs of film thicknesses homogeneity and high deposition rates for organic layers request the combination of thermal vacuum deposition (VTE) and organic vapour phase deposition (OVPD) processes to fabricate OLEDs on 370 x 470 mm² substrates. The deposition sources are qualified regarding layer homogeneity and morphology of the deposition processes. The layer properties are controlled in a wide range by the variation of the organic vapour phase deposition parameters: substrate temperature and deposition rate. The in situ determination of the substrate thickness is shown by the application of spectroscopic reflectometry. The thesis demonstrates the thickness analysis of single and multi-layer stacks by reflectometry. The data fit well to ex situ ellipsometry. Robust OLED devices with an additional short-circuit protection layer deposited by OVPD technology are introduced. The current limiting properties of this layer reduce the leakage currents in the OLED device. The fabrication of 100 x 100 mm² white emitting OLED modules with power efficiencies about 13 lm/W shows the great potential of the manufacturing technology.