Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Ober?ächen- bzw. Grenz?ächenphotospannung (SPV) an dünnen organischen Schichten auf Metallsubstraten. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem System dünner Schichten von 3,4,9,10-Perylen- Tetracarbonsäure-Di-Anhydrid (PTCDA) auf einem Au(110)-Kristall. Für diese Untersuchungen wurde eine phasensensitive Methode auf der Basis der Photoelektronenspektroskopie (PES) mit zusätzlicher modulierter Lichteinstrahlung entwickelt, die es erlaubt, lichtinduzierte Verschiebungen des Ober?ächenpotentials mit einer Au?ösung ? 1mV zu detektieren. Diese modulierte Photoelektronenspektroskopie wird ausführlich vorgestellt. Eine makroskopische Kelvin-Sonde und die Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie (KPFM) werden als weitere Möglichkeiten zur Bestimmung des Ober?ächenpotentials vorgestellt. Die Photospannung wird mit diesen Methoden in Bezug auf drei Parameter untersucht: Da die Barriere an der Grenz?äche, welche für die Ausbildung der Photospannung ursächlich ist, durch die Photospannung reduziert wird, geben Messungen der SPV in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtleistung Informationen über die energetische Struktur der Grenz?äche, speziell über die Höhe der Barriere. Mit den ebenfalls aus diesen Methoden gewonnen Informationen über die Austrittsarbeit und Ionisationsenergie von PTCDA lässt sich ein Bandschema des Systems Au/PTCDA entwickeln. Die wellenlängenabhängigen Messungen zeigen, dass Exzitonen in verschiedenen Zuständen erzeugt werden. Diese werden mit unterschiedlichen Photonenenergien angeregt und besitzen unterschiedliche Di?usionslängen. Da die Exzitonen zum Dissoziieren an die Grenz?äche di?undieren müssen, tragen die unterschiedlichen Exzitonenzust ände mit unterschiedlichem Anteil zur Photospannung bei. Die Untersuchungen der Entstehungs- und Zerfallszeit zeigen, dass sich die Photospannung sehr schnell nach Lichteinschaltung aufbaut. Der Abbau der Photospannung nach Lichtabschaltung erfolgt vergleichsweise langsam. Dies bedeutet, dass die Ladungsträger, die nach der Ladungsträgertrennung in der organischen Schicht zur ückbleiben, in Fallenzuständen gebunden sind, aus denen sie thermisch aktiviert werden müssen. In einem separaten Abschnitt werden die Entwicklung sowie Messergebnisse eines Stimmgabel-Rasterkraftmikroskops (AFM) vorgestellt. Dieses ermöglicht die hochau ?ösende topographische Abbildung der Ober?äche mit einer vertikalen Sensitivität im Ångström-Bereich. Das Ziel, mit diesem Gerät KPFM zu betreiben, konnte beim Einsatz an Luft nicht verwirklicht werden. / Subject of this work is the investigation of surface and interface photovoltage (SPV) of thin organic films on metal substrates. Special attention is focused on the system of thin layers of 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-dianhydride (PTCDA) on an Au(110) crystal. For this investigation a novel phase sensitive method was developed based on photoelectron spectroscopy (PES) under additional modulated illumination. It provides the possibility to detect light induced changes in the surface potential with a resolution of about 1mV. This modulated photoelectron spectroscopy is described in detail. Macroscopic Kelvin probe and Kelvin probe force microscopy (KPFM) are presented as further possibilities to measure the surface potential. The photovoltage is investigated by these techniques regarding three parameters: Due to the fact that the barrier at the interface is responsible for the formation of the photovoltage and that the height of this barrier is reduced by the photovoltage, the measurement of the dependence of the SPV on the intensity of the incident light provides information about the energetic structure of the interface. Together with the values of the work function and the ionisation energy of PTCDA, also gained with this methods, a band diagram of the interface can be developed. The wavelength dependent measurements show that excitons can be generated in multiple states. They are excited at different photon energies and have different diffusion lengths. The excitons have to diffuse to the interface to dissociate. Therefore the different excitation states contribute to SPV with different amounts. The investigations upon the generation and decay of the photovoltage shows that the SPV signal appears immediately after switching on the illumination. The decay of the photovoltage after switching off the light is much slower. This implies that the charge carriers are trapped as they remain in the organic film after charge separation at the interface. They have to be thermally activated from this traps. In an extra chapter the development and measurement results of a tuning fork scanning force microscope (AFM) are described. This AFM features high resolution topography images with a vertical sensitivity in the range of single angstroms.

С помощью оборудования National Instruments реализованы две установки для нанесения органических покрытий. Установка термовакуумного нанесения с виртуальным прибором «ThermoVac» позволяет производить линейный нагрев испаряемого вещества с фиксированной скоростью до заданной температуры термостатирования в диапазоне от комнатной до 500 °C. Установка для нанесения методом центрифугирования с ВП «SC_organic» позволяет поддерживать заданную скорость вращения подложки в диапазоне от 500 до 9000 об/мин. На базе микрозондовой станции Cascade Microtech MPS150 разработан автоматизированный канал для тестирования мемристорных структур, в режиме многократного чтения и записи. ВП «RW MIM» формирует на выходе SMU источника последовательность импульсов заданной амплитуды и длительности в режимах запись/чтение. Выполнено нанесение и аттестация пленок 5,11-диметил-5,11-дигидроиндоло [3.2-b]карбазола и 5,11-дигексил-5,11-дигидроиндоло[3.2-b]карбазола. По измеренным вольтамперным характеристикам получено, что полупроводник в синтезированных структурах TiN/DMICZ/Au, Ti/DMICZ/Au обладает дырочной проводимостью с подвижностью μ = 4.9∙10-7 см2/(В∙с). Показано, что регистрируемая ВАХ характеризуется петлями гистерезиса, которые свидетельствуют о наличии мемристивного эффекта в образцах TiN/DHICZ/Au. Произведено тестирование исследуемых слоистых структур в режимах многократного чтения/записи. / An automated installation based on National Instruments equipment, two installations for applying organic coatings are implemented. The installation of a thermo vacuum evaporation with a virtual device "ThermoVac" allows linear heating of the evaporated substance at a fixed rate of up to 500 ° C. The centrifugal centrifugation unit with an VI “SC_organic” supports the specified rotation speed of the substrate in the range of 500 to 9000 rpm. Based on the microprobe station Cascade Microtech MPS150, an automated channel was developed for testing memristor structures, in the mode of multiple reading and writing. VI "RW MIM" forms a sequence of pulses of the specified amplitude and duration in the write / read modes at the SMU output of the source. The deposition and validation of 5,11-dimethyl-5,11-dihydroindolo [3.2-b] carbazole and 5,11-dihexyl-5,11-dihydroindolo [3.2-b] carbazole films was performed. From the measured volt-ampere characteristics, it was found that the semiconductor in the synthesized TiN / DMICZ / Au, Ti / DMICZ / Au structures has a hole conductivity with a mobility μ = 4.9 ∙ 10-7 cm2/(V∙s). It is shown that the recorded I-V characteristic is characterized by hysteresis loops that indicate the presence of a memorial effect in TiN / DHICZ / Au samples. The testing of layered structures under test in multiple read / write modes was performed.

Спроектирована установка для нанесения органических покрытий. Установка термовакуумного нанесения и виртуальный прибор «ThermoVAC&Co» позволяют осуществлять синтез тонкопленочных покрытий, контролируя температуру нагрева испаряемого вещества до 500 °C. Выполнен синтез тонких пленок 5,11-диметил-5,11-дигидроиндоло [3.2-b]карбазола 5,11-дигексил-5,11-дигидроиндоло[3.2-b]карбазола, 5,11-бис(2-метоксиэтил)-5,11-дигидроиндоло[3,2-b]карбазола и 5,11-бис[2-(2-метоксиэтокси)этокси]-5,11-дигидроиндоло[3,2-b]карбазола для исследования оптических и электрических характеристик. С помощью конфокального микроскопа Axio CSM 700 была проведена аттестация поверхности синтезируемых покрытий. Спектры оптического поглощения были получены на спектрометре Shimadzu UV-2450. Расчетный потенциал ионизации для исследованных соединений ICZ составляет 6,82-7,1 эВ. Обсуждается влияние отдельных блоков соединений на спектр оптического поглощения. На базе микрозондовой станции Cascade Microtech MPS150 произведены измерения вольтамперных характеристик структуры ITO/-ICZ/Al. По данным ВАХ были рассчитаны подвижности зарядов по модели инжекционных токов. Подвижность носителей заряда, оцененная по вольтамперным характеристикам, находится в диапазоне 2,2 ∙ 10-9–1,43 ∙ 10-6 см2 / (В·сек) для исследованных соединений ICZ. Установлена связь между интенсивностью полос поглощения с максимумом около 430 нм и подвижностью носителей заряда. / The installation for applying organic coatings is designed. The thermal vacuum deposition unit and the «ThermoVAC & Co» virtual instrument allow the synthesis of thin-film coatings, controlling the temperature of heating the evaporated substance up to 500 ° C. The thin films of 5,11-dimethyl-5,11-dihydroindolo [3.2-b] carbazole 5,11-dihexyl-5,11-dihydroindolo [3.2-b] carbazole, 5,11-bis (2-methoxyethyl) - 5,11-dihydroindolo [3,2-b] carbazole and 5,11-bis [2- (2-methoxyethoxy) ethoxy] -5,11-dihydroindolo [3,2-b] carbazole were synthesized to study optical and electrical characteristics. The surface of the synthesized coatings was certified using the Axio CSM 700 confocal microscope. Optical absorption spectra were obtained with the Shimadzu UV-2450 spectrometer. The calculated ionization potential is 6.82–7.1 eV for the studied ICZ compounds. The effect of individual blocks of compounds on the optical absorption spectrum is discussed. The current-voltage characteristics of the ITO / -ICZ / Al structure were measured with the Cascade Microtech MPS150 microprobe station. According to the I-V characteristics data, the charge mobility was calculated using the injection current model. The mobility of charge carriers, estimated by the current-voltage characteristics, is in the range 2,2 ∙ 10-9–1,43 ∙ 10-6 cm2/ (V·sec) for the studied ICZ compounds. The relationship between the intensity of absorption bands with a maximum near 430 nm, and the mobility of charge carriers were found.

Gegenstand dieser Arbeit ist die Untersuchung der Ober?ächen- bzw. Grenz?ächenphotospannung (SPV) an dünnen organischen Schichten auf Metallsubstraten. Besonderes Augenmerk gilt dabei dem System dünner Schichten von 3,4,9,10-Perylen- Tetracarbonsäure-Di-Anhydrid (PTCDA) auf einem Au(110)-Kristall. Für diese Untersuchungen wurde eine phasensensitive Methode auf der Basis der Photoelektronenspektroskopie (PES) mit zusätzlicher modulierter Lichteinstrahlung entwickelt, die es erlaubt, lichtinduzierte Verschiebungen des Ober?ächenpotentials mit einer Au?ösung ? 1mV zu detektieren. Diese modulierte Photoelektronenspektroskopie wird ausführlich vorgestellt. Eine makroskopische Kelvin-Sonde und die Kelvin-Sonden-Rasterkraftmikroskopie (KPFM) werden als weitere Möglichkeiten zur Bestimmung des Ober?ächenpotentials vorgestellt. Die Photospannung wird mit diesen Methoden in Bezug auf drei Parameter untersucht: Da die Barriere an der Grenz?äche, welche für die Ausbildung der Photospannung ursächlich ist, durch die Photospannung reduziert wird, geben Messungen der SPV in Abhängigkeit von der eingestrahlten Lichtleistung Informationen über die energetische Struktur der Grenz?äche, speziell über die Höhe der Barriere. Mit den ebenfalls aus diesen Methoden gewonnen Informationen über die Austrittsarbeit und Ionisationsenergie von PTCDA lässt sich ein Bandschema des Systems Au/PTCDA entwickeln. Die wellenlängenabhängigen Messungen zeigen, dass Exzitonen in verschiedenen Zuständen erzeugt werden. Diese werden mit unterschiedlichen Photonenenergien angeregt und besitzen unterschiedliche Di?usionslängen. Da die Exzitonen zum Dissoziieren an die Grenz?äche di?undieren müssen, tragen die unterschiedlichen Exzitonenzust ände mit unterschiedlichem Anteil zur Photospannung bei. Die Untersuchungen der Entstehungs- und Zerfallszeit zeigen, dass sich die Photospannung sehr schnell nach Lichteinschaltung aufbaut. Der Abbau der Photospannung nach Lichtabschaltung erfolgt vergleichsweise langsam. Dies bedeutet, dass die Ladungsträger, die nach der Ladungsträgertrennung in der organischen Schicht zur ückbleiben, in Fallenzuständen gebunden sind, aus denen sie thermisch aktiviert werden müssen. In einem separaten Abschnitt werden die Entwicklung sowie Messergebnisse eines Stimmgabel-Rasterkraftmikroskops (AFM) vorgestellt. Dieses ermöglicht die hochau ?ösende topographische Abbildung der Ober?äche mit einer vertikalen Sensitivität im Ångström-Bereich. Das Ziel, mit diesem Gerät KPFM zu betreiben, konnte beim Einsatz an Luft nicht verwirklicht werden. / Subject of this work is the investigation of surface and interface photovoltage (SPV) of thin organic films on metal substrates. Special attention is focused on the system of thin layers of 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-dianhydride (PTCDA) on an Au(110) crystal. For this investigation a novel phase sensitive method was developed based on photoelectron spectroscopy (PES) under additional modulated illumination. It provides the possibility to detect light induced changes in the surface potential with a resolution of about 1mV. This modulated photoelectron spectroscopy is described in detail. Macroscopic Kelvin probe and Kelvin probe force microscopy (KPFM) are presented as further possibilities to measure the surface potential. The photovoltage is investigated by these techniques regarding three parameters: Due to the fact that the barrier at the interface is responsible for the formation of the photovoltage and that the height of this barrier is reduced by the photovoltage, the measurement of the dependence of the SPV on the intensity of the incident light provides information about the energetic structure of the interface. Together with the values of the work function and the ionisation energy of PTCDA, also gained with this methods, a band diagram of the interface can be developed. The wavelength dependent measurements show that excitons can be generated in multiple states. They are excited at different photon energies and have different diffusion lengths. The excitons have to diffuse to the interface to dissociate. Therefore the different excitation states contribute to SPV with different amounts. The investigations upon the generation and decay of the photovoltage shows that the SPV signal appears immediately after switching on the illumination. The decay of the photovoltage after switching off the light is much slower. This implies that the charge carriers are trapped as they remain in the organic film after charge separation at the interface. They have to be thermally activated from this traps. In an extra chapter the development and measurement results of a tuning fork scanning force microscope (AFM) are described. This AFM features high resolution topography images with a vertical sensitivity in the range of single angstroms.