Heutzutage werden riesige Datenmengen zwischen Endgeräten und Cloud-Servern verschoben. Cloud-Computing war nach Bloomberg bereits für 1% des weltweiten Stromverbrauchs im Jahr 2021 verantwortlich. Darüber hinaus kann die monopolartige Speicherung personenbezogener Daten schwerwiegende Auswirkungen auf die Gesellschaften unserer Welt haben. Um persönlichen Datenschutz und einen nachhaltigen Energieverbrauch zu gewährleisten, bedarf es einer Datenverarbeitung direkt am Endgerät; bezeichnet als Edge Computing. In diesem Zuge wird die Nachfrage nach individuell gestalteten Edge-Geräten rapide ansteigen. Der neu entstehende Markt bietet der organischen elektrochemischen Elektronik eine große Chance, vor allem für bioelektronische Anwendungen; allerdings muss die Chipintegration verbessert werden. In dieser Arbeit habe ich elektrochemische organische Elektronik für die Integration in Computersysteme untersucht. Insbesondere habe ich einen festen, photostrukturierbaren Elektrolyten entwickelt, der die Integration von OECTs ohne Kreuzkommunikation zwischen Bauteilen ermöglicht. Die OECTs arbeiten bei Spannungen unter 1V und schalten mit einem großen An/Aus-Verhältnis von 5 Größenordnungen und einer Unterschwellenschwingung nahe des thermodynamischen Minimums von 60mV/Dekade. Darüber hinaus wurden bei der Untersuchung der Hysterese des Bauelements drei verschiedene Hystereseregime identifiziert. Anschließend untersuchte ich die Schaltdynamik des OECTs und demonstrierte ein Top-Gate-OECT mit einer maximalen Betriebsfrequenz von 1 kHz. Beim Versuch, die komplexe Wechselwirkung zwischen Ionen und Elektronen in integrierten OECTs zu verstehen, habe ich einen grundlegenden elektrochemischen Mechanismus identifiziert. Die Abhängigkeit dieses Mechanismus’ von der Gate-Größe und der Drain-Überlapplänge wurde aufgezeigt und dieses Wissen zur Optimierung elektrochemischer Inverter genutzt. Zur Darstellung von OECT-basierten Schaltungskomponenten habe ich verschiedene Halbleiter verwendet und entsprechende Inverter hergestellt. Schließlich wurde die Hysterese eines einzigen ambipolaren Inverters zur Demonstration eines dynamischen Klinkenschalters genutzt. Im Rahmen dieser Arbeit habe ich die OECT-Technologie von den Anfängen bis hin zu integrierten Schaltkreiskomponenten entwickelt. Ich glaube, dass diese Arbeit ein Startschuss für Wissenschaftler und Ingenieure sein wird, um die OECT-Technologie in der realen Welt des Edge Computing einzusetzen. / Nowadays, vast amounts of data are shuttled between end-user devices and cloud servers. This cloud computing paradigm was, according to Bloomberg, already responsible for 1% of the world’s electricity usage in 2021. Moreover, the monopoly-like storage of personal data can have a severe impact on the world’s societies. To guarantee data privacy and sustainable energy consumption in future, data computation directly at the end-user site is mandatory. This computing paradigm is called edge computing. Owing to the vast amount of end-user-specific applications, the demand for individually designed edge devices will rapidly increase. In this newly approaching market, organic electrochemical electronics offer a great opportunity, especially for bioelectronic applications; however, the integration into low-power-consuming systems has to be improved. In this work, I investigated electrochemical organic electronics for their integration into computational systems. In particular, I developed a solid photopatternable electrolyte that allows integrating organic electrochemical transistors (OECTs) without cross-talk between adjacent devices. The OECTs operate at voltages below 1 V, and exhibit a large on/off ratio of 5 orders of magnitude and a subthreshold-swing close to the thermodynamic minimum of 60mV/dec. Moreover, investigating the device’s hysteresis, three distinct hysteresis regimes were identified; the RC-time-dominated regime I, the retention time governed regime II, and the time-independent stable regime III. I then examined the OECT’s switching dynamics and, subsequently, demonstrated a top-gate device with a maximum operating frequency of 1 kHz. Trying to understand the complex interaction between ions and electrons in integrated OECTs, I disclosed a fundamental electrochemical mechanism and named it the electrochemical electrode coupling (EEC). The EEC’s dependence on gate size and drain overlap length was rigorously shown, and this knowledge was used to optimize electrochemical inverters. Yet, to exemplify OECT-based circuit components, I employed various semiconductors and fabricated five inverters, each with its unique advantage. Finally, the ambipolar inverter’s hysteresis was used to demonstrate a single-device dynamic latch, a basic in-memory computational element. In this thesis, I developed the OECT technology from an infancy stage to integrated circuit components. I believe that this work will be a starting signal for scientists and engineers to bring the OECT technology into real-world edge computing.

Organic semiconductors combine the benefits of organic materials, i.e., low-cost production, mechanical flexibility, lightweight, and robustness, with the fundamental semiconductor properties light absorption, emission, and electrical conductivity. This class of material has several advantages over conventional inorganic semiconductors that have led, for instance, to the commercialization of organic light-emitting diodes which can nowadays be found in the displays of TVs and smartphones. Moreover, organic semiconductors will possibly lead to new electronic applications which rely on the unique mechanical and electrical properties of these materials. In order to push the development and the success of organic semiconductors forward, it is essential to understand the fundamental processes in these materials. This thesis concentrates on understanding how the charge transport in thiophene-based semiconductor layers depends on the layer morphology and how the charge transport properties can be intentionally modified by doping these layers with a strong electron acceptor. By means of optical spectroscopy, the layer morphologies of poly(3-hexylthiophene), P3HT, P3HT-fullerene bulk heterojunction blends, and oligomeric polyquaterthiophene, oligo-PQT-12, are studied as a function of temperature, molecular weight, and processing conditions. The analyses rely on the decomposition of the absorption contributions from the ordered and the disordered parts of the layers. The ordered-phase spectra are analyzed using Spano’s model. It is figured out that the fraction of aggregated chains and the interconnectivity of these domains is fundamental to a high charge carrier mobility. In P3HT layers, such structures can be grown with high-molecular weight, long P3HT chains. Low and medium molecular weight P3HT layers do also contain a significant amount of chain aggregates with high intragrain mobility; however, intergranular connectivity and, therefore, efficient macroscopic charge transport are absent. In P3HT-fullerene blend layers, a highly crystalline morphology that favors the hole transport and the solar cell efficiency can be induced by annealing procedures and the choice of a high-boiling point processing solvent. Based on scanning near-field and polarization optical microscopy, the morphology of oligo-PQT-12 layers is found to be highly crystalline which explains the rather high field-effect mobility in this material as compared to low molecular weight polythiophene fractions. On the other hand, crystalline dislocations and grain boundaries are identified which clearly limit the charge carrier mobility in oligo-PQT-12 layers. The charge transport properties of organic semiconductors can be widely tuned by molecular doping. Indeed, molecular doping is a key to highly efficient organic light-emitting diodes and solar cells. Despite this vital role, it is still not understood how mobile charge carriers are induced into the bulk semiconductor upon the doping process. This thesis contains a detailed study of the doping mechanism and the electrical properties of P3HT layers which have been p-doped by the strong molecular acceptor tetrafluorotetracyanoquinodimethane, F4TCNQ. The density of doping-induced mobile holes, their mobility, and the electrical conductivity are characterized in a broad range of acceptor concentrations. A long-standing debate on the nature of the charge transfer between P3HT and F4TCNQ is resolved by showing that almost every F4TCNQ acceptor undergoes a full-electron charge transfer with a P3HT site. However, only 5% of these charge transfer pairs can dissociate and induce a mobile hole into P3HT which contributes electrical conduction. Moreover, it is shown that the left-behind F4TCNQ ions broaden the density-of-states distribution for the doping-induced mobile holes, which is due to the longrange Coulomb attraction in the low-permittivity organic semiconductors. / Organische Halbleiter kombinieren die molekulare Vielfalt und Anpassbarkeit, die mechanische Flexibilität und die preisgünstige Herstellung und Verarbeitung von Kunststoffen mit fundamentalen Halbleitereigenschaften wie Lichtabsorption und -emission und elektrischer Leitfähigkeit. Unlängst finden organische Leuchtdioden Anwendung in den Displays von TV-Geräten und Smartphones. Für die weitere Entwicklung und den Erfolg organischer Halbleiter ist das Verständnis derer physikalischer Grundlagen unabdingbar. Ein für viele Bauteile fundamentaler Prozess ist der Transport von Ladungsträgern in der organischen Schicht. Die Ladungstransporteigenschaften werden maßgeblich durch die Struktur dieser Schicht bestimmt, z.B. durch den Grad der molekularen Ordnung, die molekulare Verbindung von kristallinen Domänen und durch Defekte der molekularen Packung. Mittels optischer Spektroskopie werden in dieser Arbeit die temperatur-, molekulargewichts- und lösemittelabhängigen Struktureigenschaften poly- und oligothiophenbasierter Schichten untersucht. Dabei basiert die Analyse der Absorptionsspektren auf der Zerlegung in die spezifischen Anteile geordneten und ungeordneten Materials. Es wird gezeigt, dass sich hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten dann erreichen lassen, wenn der Anteil der geordneten Bereiche und deren molekulare Verbindung in den Schichten möglichst hoch und die energetische Unordnung in diesen Bereichen möglichst klein ist. Der Ladungstransport in organischen Halbleitern kann außerdem gezielt beeinflusst werden, indem die Ladungsträgerdichte und die elektrische Leitfähigkeit durch molekulares Dotieren, d.h. durch das Einbringen von Elektronenakzeptoren oder -donatoren, eingestellt werden. Obwohl der Einsatz dotierter Schichten essentiell für effiziente Leuchtdioden und Solarzellen ist, ist der Mechanismus, der zur Erzeugung freier Ladungsträger im organischen Halbleiter führt, derzeit unverstanden. In dieser Arbeit wird der Ladungstransfer zwischen dem prototypischen Elektronendonator P3HT und dem Akzeptor F4TCNQ untersucht. Es wird gezeigt, dass, entgegen verbreiteter Vorstellungen, fast alle F4TCNQ-Akzeptoren einen ganzzahligen Ladungstransfer mit P3HT eingehen, aber nur 5% dieser Paare dissoziieren und einen beweglichen Ladungsträger erzeugen, der zur elektrischen Leitfähigkeit beiträgt. Weiterhin wird gezeigt, dass die zurückgelassenen F4TCNQ-Akzeptorionen Fallenzustände für die beweglichen Ladungsträger darstellen und so die Ladungsträgerbeweglichkeit in P3HT bei schwacher Dotierung absinkt. Die elektrischen Kenngrößen Ladungsträgerkonzentration, Beweglichkeit und Leitfähigkeit von F4TCNQ-dotierten P3HT-Schichten werden in dieser Arbeit erstmals in weiten Bereichen verschiedener Akzeptorkonzentrationen untersucht.

This work presents a new approach of fabricating arrays of electrodes, separated by sub-micrometer gaps allowing the systematic investigation of electric properties of organic semiconductors. The laterally stacked devices are fabricated by using a trench isolation technique for separating different electrical potentials, as it is known for micromachining technologies like Single Crystal Reactive Ion Etching and Metallization (SCREAM). The essential part of this process is the patterning of sub-micrometer trenches onto the silicon substrate in a single lithographic step. Afterwards, the trenches are refilled by SiO2 to allow the precise tuning of the electrode separation gap. The metal electrodes are formed via magnetron sputtering. This technological approach allows us to fabricate device structures with a transport channel length in the range of 100-250 nm by conventional photolithography. In this experiment, three different metals like Au, Co, and Ni were used as the electrode materials, while copper phthalocyanine, being deposited by thermal evaporation in high vacuum, was employed as the organic semiconductor under evaluation. The final aim has been study of spin transport through the organic channel in varied geometry.

Organic thin film transistors (OTFT) are a key active devices of future organic electronic circuits. The biggest advantages of organic electronics are the potential for cheep production and the enabling of new applications for light, bendable or transparent devices. These benefits are offered by a wide spectrum of various molecules and polymers that are optimized for different purpose. In this work, several interesting organic semiconductors are compared as well as transistor geometries and processing steps. In a cooperation with an industrial partner, test series of transistors are produced that are intensively characterized and used as a basis for later device simulation. Therefore, among others 4-point-probe measurements are used for a potential mapping of the transistor channel and via transfer line method the contact resistance is measured in a temperature range between 173 and 353 K. From later comparison with the simulation models, it appears that the geometrical resistance is actually more important for the transistor performance than the resistance of charge-carrier injection at the electrodes. The charge-carrier mobility is detailed evaluated and discussed. Within the observed temperature range a Arrhenius-like thermal activation of the charge- carrier transport is determined with an activation energy of 170 meV. Furthermore, a dependence of the electric field-strength of a Poole-Frenkel type is found with a Poole-Frenkel factor of about 4.9 × 10E−4 (V/m) −0.5 that is especially important for transistors with small channel length. With these two considerations, already a good agreement between device simulation and measurement data is reached. In a detailed discussion of the dependence on the charge-carrier density and from comparison with established the charge-carrier mobility models, an exponential density of states could be estimated for the organic semiconductor. However, reliability of OTFTs remains one of the most challenging hurdles to be understood and resolved for broad commercial applications. In particular, bias-stress is identified as the key instability under operation for numerous OTFT devices and interfaces. In this work, a novel approach is presented that allows controlling and significantly alleviating the bias-stress effect by using molecular doping at low concentrations. For pentacene as semiconductor and SiO2 as gate oxide, we are able to reduce the time constant of degradation by three orders of magnitude. The effect of molecular doping on the bias-stress is explained in terms of the shift of Fermi level and, thus, exponentially reduced proton generation at the pentacene/oxide interface. For transistors prepared in cooperation with the industrial partner, a second effect is observed that can be explained by a model considering a ferroelectric process in the dielectric and counteracts the bias-stress behavior.

Diese Arbeit stellt eine eingehende Studie des sogenannten Vertikalen Organischen Feld-Effekt-Transistors (VOFET) dar, einer neuen Transistor-Geometrie, welche dem stetig wachsenden Bereich der organischen Elektronik entspringt. Dieses neuartige Bauteil hat bereits bewiesen, dass es in der Lage ist, eine der fundamentalen Einschränkungen herkömmlicher organischer Feld-Effekt-Transistoren (OFETs) zu überwinden: Die für Schaltfrequenz und An-Strom wichtige Kanallänge des Transistors kann im VOFET stark reduziert werden, ohne dass teure und komplexe Strukturierungsmethoden genutzt werden müssen. Das genaue Funktionsprinzip des VOFET ist bisher jedoch weitgehend unerforscht. Durch den Vergleich von experimentellen Daten mit Simulationsdaten des erwarteten Bauteil-Verhaltens wird hier ein erstes, grundlegendes Verständnis des VOFETs erarbeitet. Die so gewonnenen Erkenntnisse werden im Folgenden genutzt, um bestimmte Parameter des VOFETs kontrolliert zu manipulieren. So wird beispielsweise gezeigt, dass die Morphologie des organischen Halbleiters, und damit seine Abscheidungsparameter, sowohl für die VOFET-Herstellung als auch für den Ladungsträgertransport im fertigen Bauteil eine wichtige Rolle spielen. Weiterhin wird gezeigt, dass der VOFET, genau wie der konventionelle OFET, durch das Einbringen von Kontaktdotierung deutlich verbessert werden kann. Mit Hilfe dieser Ergebnisse kann gezeigt werden, dass das Funktionsprinzip des VOFETs mit dem eines konventionellen OFETs nahezu identisch ist, wenn man von geringen Abweichungen aufgrund der unterschiedlichen Geometrien absieht. Basierend auf dieser Erkenntnis wird schließlich ein VOFET präsentiert, welcher im Inversionsmodus betrieben werden kann und so die Lücke zur konventionellen MOSFET-Technologie schließt. Dieser Inversions-VOFET stellt folglich einen vielversprechenden Ansatz für leistungsfähige organische Transistoren dar, welche als Grundbausteine für komplexe Elektronikanwendungen auf flexiblen Substraten genutzt werden können. / This work represents a comprehensive study of the so-called vertical organic field-effect transistor (VOFET), a novel transistor geometry originating from the fast-growing field of organic electronics. This device has already demonstrated its potential to overcome one of the fundamental limitations met in conventional organic transistor architectures (OFETs): In the VOFET, it is possible to reduce the channel length and thus increase On-state current and switching frequency without using expensive and complex structuring methods. Yet the VOFET's operational principles are presently not understood in full detail. By simulating the expected device behaviour and correlating it with experimental findings, a basic understanding of the charge transport in VOFETs is established and this knowledge is subsequently applied in order to manipulate certain parameters and materials in the VOFET. In particular, it is found that the morphology, and thus the deposition parameters, of the organic semiconductor play an important role, both for a successful VOFET fabrication and for the charge transport in the finished device. Furthermore, it is shown that VOFETs, just like their conventional counterparts, are greatly improved by the application of contact doping. This result, in turn, is used to demonstrate that the VOFET essentially works in almost exactly the same way as a conventional OFET, with only minor changes due to the altered contact arrangement. Working from this realisation, a vertical organic transistor is developed which operates in the inversion regime, thus closing the gap to conventional MOSFET technology and providing a truly promising candidate for high-performance organic transistors as the building blocks for advanced, flexible electronics applications.

Over the last decades organic light-emitting diodes (OLEDs) and organic solar cells (OSCs) have gained considerable attention as efficient, flexible, lightweight, and potentially low-cost technology for lighting and display applications or as a renewable energy source, respectively. However, achieving long-term stability remains challenging. Revealing and understanding aging processes is therefore of great interest. This work presents fundamental investigations to understand and circumvent organic device degradation. In the first part, single materials used in organic devices were investigated. By tailoring an attenuated total reflection infrared (ATR-IR) spectrometer to the specific needs and subsequent measurements, it is shown that the tris(8-hydroxyquinoline)aluminum (Alq3) molecule, a well known fluorescent green emitter, degrades during air exposure by the formation of carbonyl groups. By using a laser desorption/ionization time of flight mass spectrometer (LDI-TOF-MS) it was shown that a,w-bis-(dicyanovinylen)-sexithiophen (DCV6T-Bu4), a well known small-molecule material which is used as part of the active layer, reacts with oxygen during ultraviolet (UV) irradiation. By using climate boxes and a sun simulator the impact of dry and humid air as well as sunlight on C60, a widely-used acceptor molecule in organic solar cells, was investigated. The breaking of the C60 cage to C58 and C56 and the further reaction of these components with oxygen as well as the dimerization of C58 and C56 molecules were found. The degradation products such as C58O increase with air exposure time but they are independent of the humidity level of the ambient air as well as sunlight irradiation. Subsequent annealing leads to a decrease of the C58O concentration. Many efficient n-dopants are prone to degradation in air, due to the low ionization potentials, thereby limiting the processing conditions. It was found that the air exposure of the highly efficient n-dopant tetrakis(1,3,4,6,7,8-hexahydro-2H-pyrimido[1,2-a]pyrimidinato)ditungsten(II) (W2(hpp)4) leads to oxidation reactions of the molecule to [W(hpp)2 + O] and other degradation products. The decay constant of W2(hpp)4 and the matching mean growth time of the [W(hpp)2 + O] degradation as well as a second very quick degradation of the dopant could be determined. The two decay constants can be explained by the assumption that W2(hpp)4 molecules, which are involved in the charge transfer, do degrade slower due to the fact that the charge transfer leads to a downshift of the energy levels of the W2(hpp)4 molecule. Apart from the properties of the organic materials, other effects such as the impact of different purification systems on the material purity as well as the dependence of material purity on the OLED lifetime has been investigated. No correlations between the purification grade and the amount of impurities were found. OLEDs which contain N,N\'-di(naphthalen-1-yl)-N,N\'-diphenyl-benzidine (alpha-NPD) purified in a vertically interlaced stainless steel sublimation systems shows slightly higher external quantum efficiencies compared to tube-based vacuum sublimation systems. The devices which contain alpha-NPD purified by a sublimation system have an extended lifetime. Finally, the impact of residual gases during device fabrication on OLED lifetime and electrical characteristics was investigated. It was found that water vapor introduces an additional series resistance to the OLED, while the other gases do not influence the electric characteristics. The presence of nitrogen or oxygen impacts the lifetime of the OLEDs by the same amount. Nitrogen is non-reactive, this leads to the conclusion that the influence of nitrogen and oxygen on the OLED lifetime is of non-chemical nature, such as changes in the morphology of the organic layers. Water vapor introduces an additional, even faster degradation process within the first hours of OLED operation. As major sources of device degradation, the dimerization of 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BPhen) as well as the complexation reaction of alpha-NPD with a bis(1-phenylisoquinoline)iridium(III) (Ir(piq)2) fragment was identified.

Der Einsatz von organischen Materialien, insbesondere von Polymeren, hat zahlreiche Vorteile gegenüber dem Einsatz klassischer Materialien in der Mikroelektronik. Zu diesen zählen Flexibilität, geringes Gewicht, Verarbeitbarkeit durch Verfahren aus Lösung bei Raumtemperatur ohne Notwendigkeit vakuumbasierter Prozesse zur Abscheidung und vieles mehr. Dies ermöglicht eine energie- und kosteneffiziente Herstellung elektronischer Bauteile wie organische Feldeffekttransistoren (OFETs) oder Leuchtdioden (OLEDs), welche durch Prozesse wie dem Rolle-zu-Rolle-Druckverfahren nicht länger auf kleine Flächen begrenzt sind. Zur Herstellung polymerbasierter OFETs mit optimiertem Eigenschaftsprofil sind neben innovativen Halbleitern vor allem auch neue Dielektrika mit verbesserten elektrischen Eigenschaften erforderlich, zu deren Entwicklung die vorliegende Arbeit beitragen sollte. Das häufig verwendete Polymethylmethacrylat ist für den Einsatz als Gate-Dielektrikum für die organische und gedruckte Elektronik nur bedingt geeignet. Es zeigt einige Nachteile wie eine mangelnde Stabilität gegenüber bestimmten organischen Lösungsmitteln, was zu Quellung oder Anlösen des Dielektrikums während des Aufbringens weiterer Schichten führen kann. Durch Copolymerisation von Methylmethacrylat mit funktionalisierten Comonomeren sollten die Probleme gelöst und optimierte Methacrylat-Copolymere entwickelt werden. Die Copolymere wurden über freie radikalische sowie RAFT-Polymerisation synthetisiert. Allen gemeinsam sind vernetzbare Comonomere, um die Lösungsmittelstabilität zu verbessern und somit die Durchbruchfeldstärke des Dielektrikums zu erhöhen. Als Vernetzer wurden 4-Benzoylphenylmethacrylat (BPMA) oder Propargylmethacrylat (PgMA) gewählt. BPMA ist UV-vernetzbar, Copolymere mit PgMA können in Gegenwart von mehrfunktionalen Aziden wie 1,3,5-Tris(azidomethyl)benzen (TAMB) durch Click-Reaktion thermisch vernetzt werden. Ein weiterer Aspekt ist die Erhöhung der relativen Permittivität des Dielektrikums zur Steigerung der Kapazität der dielektrischen Schicht, wodurch unter anderem die Betriebsspannung des Transistors reduziert werden kann. Dieses Ziel sollte durch Komposite mit BaTiO3-Nanopartikeln erreicht werden. Zusätzlich zur Steigerung der Permittivität kann dies durch Verringerung der Filmdicke realisiert werden, was jedoch vermehrt zu Leckströmen führen könnte. Neben den dielektrischen Materialeigenschaften spielt vor allem auch die Grenzfläche zwischen Dielektrikum und Halbleiter eine wesentliche Rolle. Um die Interaktionen an dieser zu verbessern, wurden Comonomere mit selbstorganisierenden Seitenketten in die Polymerstruktur eingebracht. Die Kombination dieser Dielektrika mit chemisch angepassten Halbleitern mit vergleichbaren Seitenkettenfunktionalitäten soll dazu führen, dass die beiden Komponenten durch die Seitenketten verstärkt miteinander wechselwirken. Monomersynthesen sowie anschließende Copolymerisationen waren in hohen Ausbeuten und ausreichenden Molmassen bezüglich der Copolymere erfolgreich. Die strahleninduzierte Vernetzung konnte durch systematische Untersuchungen optimiert und die thermische Vernetzung bei moderaten Temperaturen nachgewiesen werden. Die Vernetzbarkeit von Copolymeren mit selbstorganisierenden Seitenketten erwies sich als gehindert. Hierfür wurde ein Vorschlag zur Erhöhung der Flexibilität der Vernetzerseitenkette unterbreitet. Für die Copolymere P(MMA/BPMA) und P(MMA/PgMA) konnten die Durchbruchfeldstärken in Folge der Vernetzung von < 0.3 MV/cm für PMMA auf bis zu mehr als 5 MV/cm gesteigert werden. BaTiO3-Nanopartikel konnten durch geeignete Methoden erfolgreich synthetisiert werden. Durch Variation der Reaktionsbedingungen war eine gezielte Steuerung der Primärpartikelgröße möglich. So wurden Partikel der Größe < 10 nm, 26 nm und 55 nm realisiert. Die Dispersion der Partikel in organischen Lösungsmitteln sowie in der Polymermatrix war stark abhängig von der Größe der Primärartikel, der Oberflächenmodifikation sowie der Neigung zur Agglomeration. Modifizierte Partikel mit einem Durchmesser < 10 nm konnten sehr gut in Lösungsmitteln wie auch in der Polymermatrix dispergiert werden (Abbildung 2). Eine Steigerung der relativen Permittivität der Nanokomposite blieb jedoch aufgrund der zu geringen Größe der Primärpartikel aus. Darüber hinaus wurden deutlich schlechtere Durchbruchfeldstärken beobachtet. Copolymere mit der Fähigkeit zur Selbstorganisation sollten durch zwei Konzepte realisiert werden. Im ersten System führte die Polymerisation von x-[4-(4´-Cyanophenyl)phenoxy]alkylmethacrylaten mit Spacerlängen von x = 6 und x = 8 nur in Homopolymeren zu ausgeprägter Selbstorganisation. Copolymere mit 50 mol% waren weitgehend isotrop und wiesen zudem ungenügende dielektrische Eigenschaften auf. Das zweite System basiert auf semifluorierten Methacrylat-Copolymeren mit H10F10-Seitenketten (10 CH2- und 10 CF2-Gruppen). Diese zeigten schon ab einem Gehalt von circa 35 mol% gute Selbstorganisation und bildeten ein geordnetes alternierendes Schichtsystem aus Haupt- und Seitenketten im Bulk und in dünnen Filmen. Die dielektrischen Eigenschaften können mit denen bekannter fluorierter Polymerdielektrika wie CYTOP konkurrieren. Damit stehen die semifluorierten Copolymere zukunftsorientiert zur Kombination mit Halbleitern, welche die gleichen Seitenkettenfunktionalitäten tragen, bereit, um so durch starke Interaktionen zwischen Dielektrikum und Halbleiter die Grenzfläche zu optimieren. Mit thermisch vernetztem P(MMA/PgMA) konnten OFETs mit den Halbleitern Pentacen bzw. C60 erfolgreich hergestellt und vermessen werden. Beide Transistoren liefern gute und mit Literaturwerten vergleichbare Kenngrößen. Die Ladungsträgermobilitäten und Ion/Ioff-Verhältnisse betragen 0.3 cm²/Vs und 6.0x10^5 im Pentacen-basierten Transistor beziehungsweise 1.3 cm²/Vs und 4.4x10^5 im OFET mit dem Halbleiter C60. Damit konnte in dieser Arbeit die Steigerung der Durchbruchfeldstärke durch geeignete Vernetzung der Copolymere realisiert werden. Die thermische Vernetzung fand bei deutlich geringeren Temperaturen als zahlreiche in der Literatur beschriebene Reaktionen statt. Die Synthese und Modifizierung von BaTiO3-Nanopartikeln und auch die Bildung entsprechender PMMA-BaTiO3-Nanokomposite war erfolgreich, führte jedoch nicht wie erwartet zu einer Steigerung der relativen Permittivität der Dielektrika-Schichten. Vernetzbare und selbstorganisierende semifluorierte Methacrylat-Copolymere konnten polymerisiert und charakterisiert werden und stehen als innovative dielektrische Materialien für Untersuchungen in OFETs zur Verfügung. Das Copolymer P(MMA/PgMA) wurde zielführend in organischen Feldeffekttransistoren eingesetzt und führte zu guten elektrischen Eigenschaften der Bauteile.

Die vorliegende Arbeit behandelt Fragestellungen aus der Organischen Elektronik, in der die Ladungsträgerinjektion in alle Arten von Bauteilen kritisch von der elektronischen und morphologischen Struktur der Grenzflächen zwischen Elektrode und den konjugierten organischen Molekülen (KOM) abhängt. Näher betrachtet wurden: die Energieniveauanpassung mit starken (i) Elektronendonatoren und (ii) -akzeptoren und (iii) die dichteabhängige Umorientierung einer molekularen Monolage. Zur Analyse wurden Photoelektronen- und Reflektionsabsorptionsinfrarotspektroskopie angewandt. Weitere Informationen konnten durch Modellierung mit Dichtefunktionaltheory gewonnen werden, die über Kollaborationen zur Verfügung standen. (i) Das Konzept der optimierten Energieniveauanpassung mit starken Elektronenakzeptoren konnte auf Donatoren erweitert und damit erfolgreich von der Anode zur Kathode transferiert werden. Auch hier führte der Ladungstransfer zu einem Dipol über die Grenzfläche, womit die Austrittsarbeit um bis zu 2.2 eV reduziert wurde. Als Resultat konnte die Elektroneninjektionsbarriere in nachfolgende Materialien entscheidend verringert werden (bis zu 0.8 eV). (ii) Ein bis dato unerforschter starker Elektronenaktzeptor [hexaaza-triphenylene-hexacarbonitrile (HATCN)] wurde vollständig verschiedenen Elektroden charakterisiert. HATCN zeigte dabei eine bessere Performance verglichen mit derzeit üblichen Materialien (starke Austrittsarbeitsanhebung und Verringerung der Lochinjektionsbarriere um bis zu 1.0 eV). (iii) Zusätzlich konnte mit HATCN gezeigt werden, dass eine liegende molekulare Monolage durch Erhöhung der Moleküldichte in eine stehende Monolage umgewandelt werden kann. Dies führte zu einer Änderung der chemischen Bindung zum Metall und damit zu einer starken Modifikation der elektronischen Struktur der Grenzfläche. Die vorliegende Arbeit liefert damit wertvolle Informationen für das Verständnis der Grenzfläche zwischen Elektrode und KOM in der Organischen Elektronik. / The present work is embedded in the field of organic electronics, where charge injection into devices is critically determined by the electronic and structural properties of the interfaces between the electrodes and the conjugated organic materials (COMs). Three main topics are addressed: energy level tuning with new and strong electron (i) donor and (ii) acceptor materials and (iii) the density dependent re-orientation of a molecular monolayer and its impact on the energy level alignment. To study these topics photoelectron and reflection absorption infrared spectroscopy were used. Moreover, additional information was obtained from density functional theory modelling, which was available through collaboration. (i) A concept of optimizing the energy level alignment at interfaces with strong molecular acceptors was extended to donor materials and thus successfully transferred from the anode to the cathode side of the device. Also in this case, charge transfer leads to a chemisorbed molecular monolayer. Due to the dipole across the interface, the work function of the electrode is reduced by up to 2.2 eV. Consequently, a reduced electron injection barrier into subsequently deposited materials is achieved (up to 0.8 eV). (ii) A yet unexplored strong electron acceptor material [i.e. hexaazatriphenylene- hexacarbonitrile (HATCN)] is thoroughly investigated on various surfaces. HATCN shows superior performance as electron acceptor material compared to presently used materials (e.g. work function modification and hole injection barrier reduction by up to 1 eV). (iii) Also with HATCN, the orientation of a molecular monolayer is observed to change from a face-on to an edge-on depending on layer density. This is accompanied by a re-hybridization of molecular and metal electronic states, which significantly modifies the interface electronic properties. All findings presented are valuable for the understanding of electrode-COM interfaces in organic electronics.

In der heutigen Zeit sind optoelektronische Bauelemente allgegenwärtig. Sie finden Anwendung für Beleuchtungszwecke, in Anzeigen und für die Telekommunikation. Die Entwicklung dieser Anwendungen wurde lange Zeit von anorganischen Halbleitern getragen, in jüngerer Vergangenheit auch von der organischen Elektronik. Neuerdings werden verstärkt Konzepte entwickelt, um die spezifischen Vorteile der jeweiligen komplementären Materialklassen auszunutzen. Für diese Hybridisierung müssen die Eigenschaften der verschiedenen Materialien, insbesondere die elektronische Struktur, genau auf einander abgestimmt sein. In dieser Arbeit werden Leiter-para-phenylene auf spektrale Überlagerung und angepasste Orbitalenergien mit ZnO, auf chemische Inertheit und auf die Bildung von dünnen Schichten über vakuumbasierte Verarbeitungsmethoden optimiert. Dazu konzentriert sich der synthetische Gesichtspunkt auf die selektive Funktionalisierung der verschiedenen Methylenbrücken mit Alkyl-, Aryl- und Fluorsubstituenten. Die finalen Stufen werden bezüglich ihrer optischen Eigenschaften mittels Absorption und Fluoreszenz, bezüglich ihrer elektrochemischen Eigenschaften und bezüglich ihrer Festkörperstruktur mittels Röntgenstrukturanalyse von Einkristallen charakterisiert. Außerdem widmet sich ein erheblicher Teil dieser Arbeit der Erforschung des photochemischen Abbaus von fluorenbasierten Strukturen. Es werden neue Erkenntnisse zum Abbaumechanismus und der Ursache der grünen Emission gewonnen. Weiterhin werden die Abbauraten von Fluorenstrukturen mit verschiedenen Brückensubstituenten verglichen. Dabei konnten auch verschiedene Reaktionsprodukte und Mechanismen nachgewiesen werden. Letztendlich wird auch die Anwendung einzelner Derivate in Hybridstrukturen diskutiert. / Nowadays optoelectronic devices are ubiquitous for illumination purposes, in telecommunication and displays. For a long time, the development for these devices was driven by inorganic semiconductors, later organic semiconductors contributed, as well. Recently concepts have been developed to combine both complementary material classes to exploit the specific advantages of each one. For the hybridization, the properties of the materials, especially the electronic structure, have to match very well. In this work the optimization of ladder-type p-phenylenes towards spectral overlap and energy level alignment with ZnO, vacuum-processability, inertness, as well as layer formation is described. In terms of molecular design the different properties are addressed by site-selective functionalization of the methylene bridges with alkyl, aryl, and fluoro groups. The final products are characterized regarding their optical properties by absorption and fluorescence, their electrochemical properties, as well as their solid-state structure by single crystal X-ray diffraction. Apart from that, a large part of the work is devoted to investigations of the photochemical degradation of fluorene-type structures. New insights are gained into the mechanism of degradation, as well as the origin of the green emission in ladder-type structures The dependence of the rate of degradation is described semi-quantitatively with respect to the substitution pattern. By that, different reaction mechanisms for different substituents are found. Finally, the integration of some products in hybrid structures is discussed.

Organic thin film transistors (TFT) are an attractive option for low cost electronic applications and may be used for active matrix displays and for RFID applications. To extend the range of applications there is a need to develop and optimise the performance of non-volatile memory devices that are compatible with the solution-processing fabrication procedures used in plastic electronics. A possible candidate is an organic TFT incorporating the ferroelectric co-polymer poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene)(P(VDF-TrFE)) as the gate insulator. Dielectric measurements have been carried out on all-organic metal-insulator-semiconductor structures with the ferroelectric polymer poly(vinylidenefluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) as the gate insu-lator. The capacitance spectra of MIS devices, were measured under different biases, showing the effect of charge accumulation and depletion on the Maxwell-Wagner peak. The position and height of this peak clearly indicates the lack of stable depletion behavior and the decrease of mobility when increasing the depletion zone width, i.e. upon moving into the P3HT bulk. The lack of stable depletion was further investigated with capacitance-voltage (C-V) measurements. When the structure was driven into depletion, C-V plots showed a positive flat-band voltage shift, arising from the change in polarization state of the ferroelectric insulator. When biased into accumulation, the polarization was reversed. It is shown that the two polarization states are stable i.e. no depolarization occurs below the coercive field. However, negative charge trapped at the semiconductor-insulator interface during the depletion cycle masks the negative shift in flat-band voltage expected during the sweep to accumulation voltages. The measured output characteristics of the studied ferroelectric-field-effect transistors confirmed the results of the C-V plots. Furthermore, the results indicated a trapping of electrons at the positively charged surfaces of the ferroelectrically polarized P(VDF-TrFE) crystallites near the insulator/semiconductor in-terface during the first poling cycles. The study of the MIS structure by means of thermally stimulated current (TSC) revealed further evidence for the stability of the polarization under depletion voltages. It was shown, that the lack of stable depletion behavior is caused by the compensation of the orientational polarization by fixed electrons at the interface and not by the depolarization of the insulator, as proposed in several publications. The above results suggest a performance improvement of non-volatile memory devices by the optimization of the interface. / Organische Transistoren sind besonders geeignet für die Herstellung verschiedener preisgünstiger, elektronischer Anwendungen, wie zum Beispiel Radio-Frequenz-Identifikations-Anhänger (RFID). Für die Erweiterung dieser Anwendung ist es notwendig die Funktion von organischen Speicherelementen weiter zu verbessern. Das ferroelektrische Polymer Poly(vinylidene-Fluoride-Trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) eignet sich besonders gut als remanent polarisierbarer Isolator in Dünnschich-Speicherelementen. Um Schalt- und Polarisationsverhalten solcher Speicherelemente zu untersuchen, wurden P(VDF-TrFE)-Kondensatoren und Metall-Halbleiter-Isolator-Proben sowie ferroelektrische Feld-Effekt-Transistoren (Fe-FET) aus dem Halbleiter Poly(3-Hexylthiophene) (P3HT) und P(VDF-TrFE) hergestellt und dielektrisch untersucht. Die Charakterisierung der MIS-Strukturen mittels spannungsabhängiger Kapazitätsspektren machte deutlich, dass es nicht möglich ist, einen stabilen Verarmungzustand (Aus-Zustand) zu realisieren. Kapazität-Spannungs-Messungen (C-V) an MIS-Proben mit uni/bi-polaren Spannungszyklen zeigten eine stabile ferroelektrische Polarisation des P(VDF-TrFE)-Films. Eine Depolarisation des Isolators durch den Mangel an Minoritäts-Ladungsträgern konnte als Grund für die Instabilität des Verarmungs-Zustandes ausgeschlossen werden. Die C-V-Kurven wiesen vielmehr auf die Existenz fixierter, negativer Ladungsträger an der Grenzfläche hin. Zusammenfassend kann festgestellt werden: die Ursache der Ladungsträgerinstabilitäten in organischen ferroelektrischen Speicherelementen ist auf die Kompensation der ferroelektrischen Orientierungspolarisation durch "getrappte"(fixierte) negative Ladungsträger zurückzuführen. Dieses Ergebnis liefert nun eine Grundlage für die Optimierung der Isolator/Halbleiter-Grenzfläche mit dem Ziel, die Zahl der Fallenzustände zu minimieren. Auf diesem Wege könnte die Stabilität des Speicherzustandes in organischen Dünnschichtspeicherelementen deutlich verbessert werden.