Univ., Diss., 2009--Kassel.

Univ., Diss., 2009--Bayreuth.

University, Diss., 2002--München.

Zugl.: Zürich, Univ., Diss., 2009

Techn. Universiẗat, Diss., 2005--Dresden.

Universiẗat, Diss., 2003--Bremen.

Eingebettet in ein Konzept zum Aufbau eines Hochleistungs-Feldeffekt-Transistors auf der Basis organischer Halbleiter (OFET), werden in der vorliegenden Dissertation fundamentale Aspekte des Aufbaus und der Funktion organischer Halbleiter-Bauelemente erforscht. Die Kenntnis, welche maximale Leistungsfähigkeit organische Halbleiter in OFETs prinzipiell erreichen können, ist von elementarem Interesse, sowohl um Transportmodelle zu verfeinern, als auch um Mechanismen und Optimierungsansätze zu finden, mit denen OFETs generell verbessert werden können. Es wird das Ziel verfolgt, sich der maximalen Leistungsfähigkeit eines gegebenen Materialsystems anzunähern. Aufwendige Präparationsstrategien werden für dieses Ziel bewusst in Kauf genommen, auch wenn deshalb vermutlich kein direkter Zugang zu Anwendungen eröffnet wird. An geeigneten Modellsystemen können einzelne wichtige Aspekte, wie die elektronische Struktur an Metallkontakten und im organischen Halbleitervolumen sowie das Wachstum von Schichten und Kristalliten organischer Halbleitermoleküle auf einkristallinen Isolatorsubstraten charakterisiert werden. Die Ergebnisse dieser grundlegenden Experimente fließen in den Aufbau des geplanten OFETs ein. Auf dem Weg zu einem funktionsfähigen Bauelement mit bestmöglichen Eigenschaften wurden wesentliche Fortschritte erzielt. Der erste Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung elektronischer Niveaus an Metallkontakt-Grenzflächen und im Volumen des Modellsystems PTCDA/Ag(111) mit Zwei-Photonen-Photoelektronenspektroskopie (2PPE). Die 2PPE-Spektren der PTCDA/Ag(111)-Grenzfläche sind dominiert durch einen unbesetzten, parallel zur Grenzfläche stark dispersiven Shockley-artigen Grenzflächenzustand (IS), der sich durch die Chemisorption der Moleküle auf der Ag(111)-Oberfläche bildet. Bei der Untersuchung von intramolekular angeregten elektronischen Zuständen von PTCDA mit 2PPE zeigen sich im Vergleich zum Untergrund der Spektren schwache Signale, die jedoch mit einer geeigneten Beschreibung des Untergrunds davon separiert werden können. Besonders interessant ist in diesem Zusammenhang das LUMO, das bei einer Anregung aus dem HOMO eine um 0,4 eV stärkere energetische Absenkung zeigt, als bei der Anregung aus dem HOMO-1. Dies kann durch die unterschiedlichen exzitonischen Zustände, die bei den Anregungen entstehen, erklärt werden. Neben den metallischen Kontakten ist die Grenzfläche zwischen organischem Halbleiter und Gate-Isolator entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines OFETs. Am Beispiel des Wachstums von Diindenoperylen-Molekülen (DIP) auf einkristallinen Al2O3-Substraten wurde die morphologische und strukturelle Ausbildung von organischen Halbleiterschichten mit optischer Mikroskopie und Rasterkraftmikroskopie untersucht. Das Wachstum kann als stark anisotrop charakterisiert werden. Die – im Vergleich zu den Bindungsenergien mit dem Substrat – deutlich größeren Bindungsenergien innerhalb der DIP-(001)-Kristallebenen führen bei Substrattemperaturen von 440 K zu einem Wachstum von aufrecht stehenden Molekülen. Es zeigt sich, dass die während des Wachstums herrschende Substrattemperatur einen entscheidenden Einfluss auf die Morphologie der DIP-Schicht hat. So nimmt die Inselgröße von etwa 200 nm bei 350 K auf über 700 nm bei 450 K zu. Außerdem wird ein Ansteigen der Filmrauheit, besonders ab etwa 430 K, beobachtet, das auf den Übergang zu einem anderen Wachstumsmodus bei diesen Temperaturen hinweist. Bei etwas höheren Temperaturen von etwa 460 K wird das Wachstum von DIP-Kristalliten beobachtet. Dabei können – abhängig von den gewählten Präparationsparametern – drei unterschiedliche Kristallit-Typen unterschieden werden: „Mesa-Kristallite“ mit lateralen Abmessungen von mehreren Mikrometern, „Dendritische Kristallite“, die eine verzweigte Struktur aufweisen, die mithilfe der Wachstumskinetik erklärt werden kann und „Schichtkristallite“, deren Morphologie sich durch teilweise starke Krümmungen auszeichnet. Insgesamt zeigt sich, dass die Morphologie kristalliner Strukturen durch eine feine Balance der Präparationsparameter Substrattemperatur, Aufdampfrate, Substratmorphologie und Substratreinheit bestimmt wird, so dass kleine Änderungen dieser Parameter zu deutlich unterschiedlichen Kristallitformen führen. Schließlich wird das Konzept zum Aufbau eines Hochleistungs-OFET vorgestellt und in Details weiterentwickelt. Fortschritte werden in erster Linie bei der Präparation der Gate-Elektrode erzielt, die unter dem Al2O3-Substrat angebracht werden soll. Für die Ausdünnung des Substrats wird eine Bohrtechnik weiterentwickelt und mit einer nasschemischen Ätzmethode kombiniert, so dass Isolatorstärken von unter 10 µm erreicht werden können. Erste wenige OFETs wurden auf der Basis dieses Substrats präpariert, allerdings ohne dass die Bauteile Feldeffekte zeigten. Verbesserungsmöglichkeiten werden diskutiert. / In this thesis, fundamental aspects of organic semiconductor devices are investigated and incorporated into the construction and optimization of an organic semiconductor field effect transistor (OFET). The knowledge about the maximal performance that organic semiconductors can obtain in OFETs in principle is of particular interest. It enables to refine transport models and to unravel mechanisms and optimization strategies to improve OFETs in general. In order to approach this "high end" of OFETs, elaborate steps to optimize the devices are taken, despite the fact that they might not be feasible in a direct application. Well-characterized model systems are selected to study fundamental properties of devices, in particular the electronic structure at molecule/metal contacts and in the organic semiconductor bulk, as well as the growth of organic semiconductor molecules on single crystalline insulator substrates. The realization of a high performance OFET is pursued by a comprehensive approach in order to optimize particularly the interfaces of the device. Considerable progress is made towards a working OFET with best possible properties. A primary focus of this work, the investigation of the electronic structure at molecule/metal contacts and in the molecular bulk of the model system PTCDA/Ag(111) is performed using two photon photoelectron spectroscopy (2PPE). 2PPE makes it possible to access occupied and unoccupied energy levels and study the dynamics of electronic excitations. The 2PPE spectra of the PTCDA/Ag(111) interface are dominated by an unoccupied and strongly dispersing Shockley-type interface state (IS) that develops due to the chemisorptive interaction of the PTCDA with the metal. Intramolecular excitations of PTCDA with 2PPE show a very small signal compared to the background of the spectra. However, with an appropriate description of the background it is possible to extract information about electronic states. Of special interest is the excitation of the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO) that shows different energetic relaxation mechanisms, depending on the origin of excitation. In addition to the importance of the molecule/metal contacts, the performance of OFETs is determined to a large extend by the quality of the organic semiconductor/gate insulator interface where the charge carrier channel is established. For optimal performance, the first layer of molecules should be free of defects and impurities. The morphology and structure of a molecular layer are investigated for diindenoperylene (DIP) molecules, adsorbed on a single crystalline Al2O3 substrate, by atomic force microscopy and optical microscopy. The growth of these molecules is determined by the binding energies, which are strongly anisotropic within the molecular film structure and between molecules and substrate. These anisotropies stimulate the growth of upright standing molecules at substrate temperatures of about 440 K. Dependent on the substrate temperature during growth, the morphology shows grains with lateral dimensions of about 200 nm at 350 K which increase up to 700 nm at 450 K. This change in morphology is accompanied by an increase of roughness, indicating a change of the growth mode, at higher temperatures. At slightly higher temperatures of about 460 K, the growth of crystallites is observed. Depending on the particular preparation parameters, three different types of crystallites develop: mesa crystallites with lateral dimensions up to several microns, dendritic crystallites, characterized by kinetic growth processes, and layered crystallites, that are bent in three dimensions. The morphologies can be explained by the strong anisotropy of the bonding strengths within the DIP crystal structure. To obtain a specific morphology, a subtle balance of the preparation parameters has to be found. Possibilities to utilize the grown crystallites in OFETs are discussed and the mesa type is found to be the most promising. The comprehensive concept for the development of a high performance OFET is introduced and refined in details. Improvements are made especially in the construction of the gate electrode that will be attached beneath the Al2O3 substrate. To thin out the substrate, a drilling technique is improved and combined with wet chemical etching, resulting in gate insulator thicknesses below 10 µm. On the basis of this preparatory work few first OFETs were built. However, no field effect could be measured. As a first step towards the electrical characterization of DIP-OFETs, OFETs based on Silicon-oxide were successfully prepared and characterized. Moreover, present challenges and possible improvements towards a high performance OFET are discussed.

Um die Natur der Transportdynamik von Ladungsträgern auch auf mikroskopischen Längenskalen nicht-invasiv untersuchen zu können, wurde im ersten Schwerpunkt dieser Arbeit das PL- (Photolumineszenz-) Quenching (engl.: to quench: löschen; hier: strahlungslose Rekombination von Exzitonen) in einer organischen Dünnschicht durch die injizierten und akkumulierten Löcher in einer Transistorgeometrie analysiert. Diese Zusammenführung zweier Methoden - der elektrischen Charakterisierung von Dünnschichttransistoren und der Photolumineszenzspektroskopie - erfasst die Änderung des strahlenden Zerfalls von Exzitonen infolge der Wechselwirkung mit Ladungsträgern. Dadurch werden räumlich aufgelöste Informationen über die Ladungsverteilung und deren Spannungsabhängigkeit im Transistorkanal zugänglich. Durch den Vergleich mit den makroskopischen elektrischen Kenngrößen wie der Schwell- oder der Turn-On-Spannung kann die Funktionsweise der Transistoren damit detaillierter beschrieben werden, als es die Kenngrößen alleine ermöglichen. Außerdem wird die Quantifizierung dieser mikroskopischen Interaktionen möglich, welche beispielsweise als Verlustkanal in organischen Photovoltaikzellen und organicshen Leuchtdioden auftreten können. Die Abgrenzung zu anderen dissipativen Prozessen, wie beispielsweise der Exziton-Exziton Annihilation, Ladungsträgerrekombination, Triplett-Übergänge oder Rekombination an Störstellen oder metallischen Grenzflächen, erlaubt die detaillierte Analyse der Wechselwirkung von optisch angeregten Zuständen mit Elektronen und Löchern. Im zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit werden die Transporteigenschaften des Naphthalindiimids Cl2-NDI betrachtet, bei dem der molekulare Überlapp sowie die Reorganisationsenergie in derselben Größenordnung von etwa 0,1 eV liegen. Um experimentell auf den mikroskopischen Transport zu schließen, werden nach der Optimierung des Kristallwachstums Einkristalltransistoren hergestellt, mit Hilfe derer die Beweglichkeit entlang verschiedener kristallographischer Richtungen als Funktion der Temperatur gemessen werden kann. Die einkristalline Natur der Proben und die spezielle Transistorgeometrie ermöglichen die Analyse der räumlichen Anisotropie des Stromflusses. Der gemessene Beweglichkeitstensor wird daraufhin mit simulierten Tensoren auf der Basis von Levich-Jortner Raten verglichen, um auf den zentralen Ladungstransfermechanismus zu schließen. / In order to study charge transport in organic thin-film transistors on a microscopic length scale noninvasively, photoluminescence quenching by injected holes in transistor geometry was analyzed. The combination of these two techniques – the electrical characterization of transistors and the photoluminescence spectroscopy – captures the variation of radiative recombination of excitons, which results from the interaction with the accumulated charge carriers. Thereby, spatially resolved information about the charge distribution and its voltage dependence in the transistor channel become accessible. By comparison with the macroscopic electrical parameters, such as the threshold voltage or the turn-on voltage, the mode of operation of the transistors can thus be described in more detail than the characteristic values alone permit. In addition, the quantification of these microscopic interactions becomes possible, which can occur, for example, as a loss channel in organic photovoltaic cells and organic light-emitting diodes. The delimitation to other dissipative processes, such as exciton-exciton annihilation, charge carrier recombination, triplet transitions or recombination at impurities or metallic interfaces, allows the detailed analysis of the interaction of optically excited states with electrons and holes. The second focus of this work is on the transport properties of the naphthalene diimide Cl2-NDI in which the molecular overlap as well as the reorganization energy are of the same order of magnitude of approximately 0.1 eV. In order to close experimentally on the microscopic transport, after the optimization of crystal growth, single crystal transistors are produced by means of which the mobility along different crystallographic directions can be measured as a function of the temperature. The single crystal nature of the samples and the special transistor geometry allow the analysis of the spatial anisotropy of the current flow. The measured mobility tensor is then compared with simulated tensors based on Levich-Jortner rates to infer the central charge transfer mechanism.

Würzburg, Univ., Diss., 2008. / Zsfassung in dt. Sprache.

Paderborn, Universiẗat, Diss., 2004.