The semiconducting properties of a bithiophene-naphthalene diimide copolymer (PNDIT2) prepared by Ni-catalyzed chain-growth polycondensation (P1) and commercially available N2200 synthesized by Pd-catalyzed step-growth polycondensation were compared. Both polymers show similar electron mobility of [similar]0.2 cm2 V−1 s−1, as measured in top-gate OFETs with Au source/drain electrodes. It is noteworthy that the new synthesis has several technological advantages compared to traditional Stille polycondensation, as it proceeds rapidly at room temperature and does not involve toxic tin-based monomers. Furthermore, a step forward to fully printed polymeric devices was achieved. To this end, transistors with PEDOT:PSS source/drain electrodes were fabricated on plastic foils by means of mass printing technologies in a roll-to-roll printing press. Surface treatment of the printed electrodes with PEIE, which reduces the work function of PEDOT:PSS, was essential to lower the threshold voltage and achieve high electron mobility. Fully polymeric P1 and N2200-based OFETs achieved average linear and saturation FET mobilities of >0.08 cm2 V−1 s−1. Hence, the performance of n-type, plastic OFET devices prepared in ambient laboratory conditions approaches those achieved by more sophisticated and expensive technologies, utilizing gold electrodes and time/energy consuming thermal annealing and lithographic steps. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

The semiconducting properties of a bithiophene-naphthalene diimide copolymer (PNDIT2) prepared by Ni-catalyzed chain-growth polycondensation (P1) and commercially available N2200 synthesized by Pd-catalyzed step-growth polycondensation were compared. Both polymers show similar electron mobility of [similar]0.2 cm2 V−1 s−1, as measured in top-gate OFETs with Au source/drain electrodes. It is noteworthy that the new synthesis has several technological advantages compared to traditional Stille polycondensation, as it proceeds rapidly at room temperature and does not involve toxic tin-based monomers. Furthermore, a step forward to fully printed polymeric devices was achieved. To this end, transistors with PEDOT:PSS source/drain electrodes were fabricated on plastic foils by means of mass printing technologies in a roll-to-roll printing press. Surface treatment of the printed electrodes with PEIE, which reduces the work function of PEDOT:PSS, was essential to lower the threshold voltage and achieve high electron mobility. Fully polymeric P1 and N2200-based OFETs achieved average linear and saturation FET mobilities of >0.08 cm2 V−1 s−1. Hence, the performance of n-type, plastic OFET devices prepared in ambient laboratory conditions approaches those achieved by more sophisticated and expensive technologies, utilizing gold electrodes and time/energy consuming thermal annealing and lithographic steps. / Dieser Beitrag ist aufgrund einer (DFG-geförderten) Allianz- bzw. Nationallizenz frei zugänglich.

Classical semiconductor physics has been continuously improving electronic components such as diodes, light-emitting diodes, solar cells and transistors based on highly purified inorganic crystals over the past decades. Organic semiconductors, notably polymeric, are a comparatively young field of research, the first light-emitting diode based on conjugated polymers having been demonstrated in 1990. Polymeric semiconductors are of tremendous interest for high-volume, low-cost manufacturing ("printed electronics"). Due to their rather simple device structure mostly comprising only one or two functional layers, polymeric diodes are much more difficult to optimize compared to small-molecular organic devices. Usually, functions such as charge injection and transport are handled by the same material which thus needs to be highly optimized. The present work contributes to expanding the knowledge on the physical mechanisms determining device performance by analyzing the role of charge injection and transport on device efficiency for blue and white-emitting devices, based on commercially relevant spiro-linked polyfluorene derivatives. It is shown that such polymers can act as very efficient electron conductors and that interface effects such as charge trapping play the key role in determining the overall device efficiency. This work contributes to the knowledge of how charges drift through the polymer layer to finally find neutral emissive trap states and thus allows a quantitative prediction of the emission color of multichromophoric systems, compatible with the observed color shifts upon driving voltage and temperature variation as well as with electrical conditioning effects. In a more methodically oriented part, it is demonstrated that the transient device emission observed upon terminating the driving voltage can be used to monitor the decay of geminately-bound species as well as to determine trapped charge densities. This enables direct comparisons with numerical simulations based on the known properties of charge injection, transport and recombination. The method of charge extraction under linear increasing voltages (CELIV) is investigated in some detail, correcting for errors in the published approach and highlighting the role of non-idealized conditions typically present in experiments. An improved method is suggested to determine the field dependence of charge mobility in a more accurate way. Finally, it is shown that the neglect of charge recombination has led to a misunderstanding of experimental results in terms of a time-dependent mobility relaxation. / Klassische Halbleiterphysik beschäftigt sich bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich mit der Weiterentwicklung elektronischer Bauteile wie Dioden, Leuchtdioden, Solarzellen und Transistoren auf der Basis von hochreinen anorganischen Kristallstrukturen. Im Gegensatz hierzu ist das Forschungsgebiet der organischen, insbesondere der polymeren Halbleiter noch recht jung: Die erste Leuchtdiode auf der Basis von "leitfähigem Plastik" wurde erst 1990 demonstriert. Polymere Halbleiter sind hierbei von besonderem Interesse für hochvolumige Anwendungen im Beleuchtungsbereich, da sie sich kostengünstig herstellen und verarbeiten lassen ("gedruckte Elektronik"). Die vereinfachte Herstellung bedingt dabei eine vergleichsweise geringe Komplexität der Bauteilstruktur und verringert die Optimierungsmöglichkeiten. Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum Verständnis der Vorgänge an Grenzflächen und im Volumen von polymeren Leuchtdioden und ermöglicht damit ein besseres Verständnis der Bauteilfunktion. Im Fokus steht hierbei mit einem spiro-verknüpften Polyfluorenderivat ein kommerziell relevanter Polymertyp, der amorphe und hochgradig temperaturstabile Halbleiterschichten bildet. Ausgehend von einer Charakterisierung der Ladungstransporteigenschaften wird im Zusammenspiel mit numerischen Simulationen der Bauteilemission gezeigt, welche Rolle die polymeren und metallenen Kontaktelektroden für die Bauteilfunktion und -effizienz spielen. Des Weiteren wird ein weiß-emittierendes Polymer untersucht, bei dem die Mischung von blauen, grünen und roten Farbstoffen die Emissionsfarbe bestimmt. Hierbei wird das komplexe Wechselspiel aus Energieübertrag zwischen den Farbstoffen und direktem Ladungseinfang aufgeklärt. Es wird ein quantitatives Modell entwickelt, das die beobachtete Verschiebung der Emissionsfarbe unter wechselnden elektrischen Betriebsparametern erklärt und zusätzlich die Vorhersage von Temperatur- und elektrischen Konditionierungseffekten ermöglicht. Ausgehend von leicht messbaren Parametern wie Stromstärken und Emissionsspektren ermöglicht es Rückschlüsse auf mikroskopische Vorgänge wie die Diffusion von Ladungen hin zu Farbstoffen. Es wird gezeigt, dass im Gegensatz zu bisherigen Erkenntnissen der Ladungseinfang durch Drift im elektrischen Feld gegenüber der Diffusion überwiegt. In einem eher methodisch orientierten Teil zeigt die Arbeit, wie die beim Abschalten von Leuchtdioden beobachtbare Emission dazu verwendet werden kann, Erkenntnisse zu Ladungsdichten während der Betriebsphase zu gewinnen. Es wird abschließend nachgewiesen, dass eine gängige Methode zur Bestimmung von Ladungsbeweglichkeiten unter typischen Messbedingungen fehlerbehaftet ist. Ergebnisse, die bisher als eine zeitliche Relaxation der Beweglichkeit in ungeordneten Halbleitern interpretiert wurden, können damit auf die Rekombination von Ladungen während der Messung zurückgeführt werden. Es wird außerdem gezeigt, dass eine Modifikation der bei der Auswertung verwendeten Analytik die genauere Vermessung der Feldstärkeabhängigkeit der Beweglichkeit ermöglicht.

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.

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.

Der Maschinenbau benötigt zum Erhalt seiner Innovationsfähigkeit neue, ganzheitliche Ansätze, die die vollständige Digitalisierung der Produktentwicklung bis zur digitalen Produktion/Fabrik und auch die Geschäftsprozesse, das Produktionsmanagement und gesamtwirtschaftliche Aspekte einschließen. Ziel der Profillinie ist es, Ressourcen und Kompetenzen zu bündeln und unter Beachtung des industriellen Umfeldes und der Veränderungen im Forschungsumfeld in Deutschland und Europa eine “kritische Masse” an F&E-Potenzial zu schaffen, die es erlaubt, an der Spitze der Maschinenbauforschung zu agieren.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Langzeitstabilität organischer Solarzellen. Die Solarzellen als Gegenstand dieser Untersuchungen sind dabei aus Materialien aufgebaut, die mittels thermischer Gasphasenabscheidung im Vakuum hergestellt werden. Das unterscheidet diese von vielen in der Literatur vorgestellten Alterungsstudien, die Polymersolarzellen behandeln. Als Standardsystem werden einfache pii-Bauelemente ausgewählt, die in ZnPc und C60 zwei gut untersuchte Materialien in der aktiven Donor-Akzeptor-Schicht nutzen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind dabei in drei Kapiteln zusammengefasst. In Kapitel 5 wird untersucht, wie sich verschiedene Faktoren auf die Lebensdauer der Solarzellen auswirken. Für verkapselte Solarzellen mit MeO-TPD in der Lochtransportschicht wird die thermische Beschleunigung der Degradation mit einem Arrhenius’schen Verhalten beschrieben und eine Aktivierungsenergie EA=712 meV gefunden. Aus dieser Beschreibung wird für verkapselte Solarzelle bei 100 mW cm-2 und 45°C eine Lebensdauer von 62.000 h extrapoliert, die experimentell nicht verifiziert werden kann. Auch der Einfluss der Beleuchtungsintensität auf die Degradationsgeschwindigkeit wird untersucht und kann systematisch erklärt werden: Die Beschleunigung, die sich aus einer Erhöhung der Intensität weißen Lichtes ergibt, kann beschrieben werden, indem man die Anzahl extrahierter Ladungsträger berechnet. Bei Alterungen unter verschiedene Intensitäten ist diese Zahl identisch, wenn man die Messung bei gleichem Grad der Degradation betrachtet. Diese Modell kann auch auf monochromatische Beleuchtung ausgedehnt werden und es zeigt sich bei einem Vergleich über alle untersuchten Wellenlängen, dass der Anstieg der fallenden Kurven umso steiler wird, je höher die kürzeste Wellenlänge des jeweiligen Spektrums ist. Der zweite Teil dieses Kapitels ist der Degradation unverkapselter Solarzellen mit BF-DPB als Lochtransportmaterial gewidmet. Durch Variation von Temperatur und relativer Luftfeuchte konnten beide Einflussfaktoren in einem kombinierten Modell, dem Peck-Modell, zusammengefasst werden. Dieses wurde bisher nicht zur Beschreibung des Degradationsverhaltens von Solarzellen verwendet. Eine Vorhersage der Lebensdauer bei beliebigen Werten für beide Parameter ist somit möglich. Deutlich sticht in diesem Experiment hervor, dass die Anwesenheit von Wasser die Degradation klar dominiert. Darauf folgen Messungen, bei denen die Wasserpermeationsrate (WVTR) der Verkapselung variiert wird. Dabei stellt sich heraus, dass diese besser als 10-3 g m-2 d-1 sein muss, um die Stabilität zu verbessern. Durch eine Trennung der WVTR der äußeren Barriere und jener der Aluminiumelektrode ist es möglich, den Wert WVTR(Al) zu ermitteln. Dieser beträgt 8 x10-4 g m-2 d-1. Zusätzlich kann die Wassermenge, die benötigt wird, um die untersuch-ten Solarzelle auf 50% des Startwertes zu degradieren, zu 10 mg m2 bestimmt werden. Kapitel 6 zeigt eine umfassende Charakterisierung von an Luft degradierten Solarzellen. Mit den chemischen Analysemethoden TOF-SIMS und LDI-TOF-MS können mehrere Reaktionen der verwendeten Materialien mit Luft identifiziert werden. Dabei sticht die Oxidation der BPhen-Aluminium-Grenzschicht, die zur Bildung von Al2O3 führt, hervor. Weitere Reaktionsprodukte, vor allem in Verbindung mit Fluor, welches aus der Zersetzung von C60F36 stammt, werden gezeigt. Die Oxidation der Organik-Aluminium-Grenzschicht kann mit Hilfe von Elektrolumineszenzmessungen untersucht werden. Bei diesen zeigt sich, dass die Abnahme der aktiven Fläche in vollem Umfang Ursache für die Reduktion der Kurzschlussstromdichte ist. Als Eintrittskanäle für Sauerstoff und Wasser werden neben pinholes auch die Seitenkanten der Solarzelle identifiziert. Hinweise für die flächige Diffusion von Wasser werden zusätzlich erbracht. Erster Ansatz zur Verbesserung der Langzeitstabilität ist der Austausch von BPhen durch ein dotiertes Elektronen-transportmaterial. Eine Variation von fünf Materialien zeigt, dass ein Zusammenhang zwischen Rauigkeit dieses Materials und der Lebensdauer besteht: So werden die besten Stabilität für Materialien wie C60 und Bis-HFl-NTCDI gezeigt, die mit einer geringen Rauigkeit aufwachsen. Die Lebensdauer beträgt am Beispiel von Bis-HFl-NTCDI bei [T=65°C; rH=2,2%] T50=762 h und ist damit etwa viermal so groß wie bei Verwendung von BPhen. Weitere Optimierungsversuche, zum Beispiel durch Variation der Elektrode, des p-Dotanden, oder der Invertierung der Struktur zeigen zwar zusätzliche Degradationspfade auf, führen aber zu keiner Verbesserung der Stabilität. Auf Basis zuvor durchgeführter Überlegungen zu Redoxreaktionen (organischer) Materialien mit Wasser und Sauerstoff wird zum Abschluss der Arbeit ein möglicher Aufbau für luftstabile organische Solarzellen vorgeschlagen.

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.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Langzeitstabilität organischer Solarzellen. Die Solarzellen als Gegenstand dieser Untersuchungen sind dabei aus Materialien aufgebaut, die mittels thermischer Gasphasenabscheidung im Vakuum hergestellt werden. Das unterscheidet diese von vielen in der Literatur vorgestellten Alterungsstudien, die Polymersolarzellen behandeln. Als Standardsystem werden einfache pii-Bauelemente ausgewählt, die in ZnPc und C60 zwei gut untersuchte Materialien in der aktiven Donor-Akzeptor-Schicht nutzen. Die Ergebnisse dieser Arbeit sind dabei in drei Kapiteln zusammengefasst. In Kapitel 5 wird untersucht, wie sich verschiedene Faktoren auf die Lebensdauer der Solarzellen auswirken. Für verkapselte Solarzellen mit MeO-TPD in der Lochtransportschicht wird die thermische Beschleunigung der Degradation mit einem Arrhenius’schen Verhalten beschrieben und eine Aktivierungsenergie EA=712 meV gefunden. Aus dieser Beschreibung wird für verkapselte Solarzelle bei 100 mW cm-2 und 45°C eine Lebensdauer von 62.000 h extrapoliert, die experimentell nicht verifiziert werden kann. Auch der Einfluss der Beleuchtungsintensität auf die Degradationsgeschwindigkeit wird untersucht und kann systematisch erklärt werden: Die Beschleunigung, die sich aus einer Erhöhung der Intensität weißen Lichtes ergibt, kann beschrieben werden, indem man die Anzahl extrahierter Ladungsträger berechnet. Bei Alterungen unter verschiedene Intensitäten ist diese Zahl identisch, wenn man die Messung bei gleichem Grad der Degradation betrachtet. Diese Modell kann auch auf monochromatische Beleuchtung ausgedehnt werden und es zeigt sich bei einem Vergleich über alle untersuchten Wellenlängen, dass der Anstieg der fallenden Kurven umso steiler wird, je höher die kürzeste Wellenlänge des jeweiligen Spektrums ist. Der zweite Teil dieses Kapitels ist der Degradation unverkapselter Solarzellen mit BF-DPB als Lochtransportmaterial gewidmet. Durch Variation von Temperatur und relativer Luftfeuchte konnten beide Einflussfaktoren in einem kombinierten Modell, dem Peck-Modell, zusammengefasst werden. Dieses wurde bisher nicht zur Beschreibung des Degradationsverhaltens von Solarzellen verwendet. Eine Vorhersage der Lebensdauer bei beliebigen Werten für beide Parameter ist somit möglich. Deutlich sticht in diesem Experiment hervor, dass die Anwesenheit von Wasser die Degradation klar dominiert. Darauf folgen Messungen, bei denen die Wasserpermeationsrate (WVTR) der Verkapselung variiert wird. Dabei stellt sich heraus, dass diese besser als 10-3 g m-2 d-1 sein muss, um die Stabilität zu verbessern. Durch eine Trennung der WVTR der äußeren Barriere und jener der Aluminiumelektrode ist es möglich, den Wert WVTR(Al) zu ermitteln. Dieser beträgt 8 x10-4 g m-2 d-1. Zusätzlich kann die Wassermenge, die benötigt wird, um die untersuch-ten Solarzelle auf 50% des Startwertes zu degradieren, zu 10 mg m2 bestimmt werden. Kapitel 6 zeigt eine umfassende Charakterisierung von an Luft degradierten Solarzellen. Mit den chemischen Analysemethoden TOF-SIMS und LDI-TOF-MS können mehrere Reaktionen der verwendeten Materialien mit Luft identifiziert werden. Dabei sticht die Oxidation der BPhen-Aluminium-Grenzschicht, die zur Bildung von Al2O3 führt, hervor. Weitere Reaktionsprodukte, vor allem in Verbindung mit Fluor, welches aus der Zersetzung von C60F36 stammt, werden gezeigt. Die Oxidation der Organik-Aluminium-Grenzschicht kann mit Hilfe von Elektrolumineszenzmessungen untersucht werden. Bei diesen zeigt sich, dass die Abnahme der aktiven Fläche in vollem Umfang Ursache für die Reduktion der Kurzschlussstromdichte ist. Als Eintrittskanäle für Sauerstoff und Wasser werden neben pinholes auch die Seitenkanten der Solarzelle identifiziert. Hinweise für die flächige Diffusion von Wasser werden zusätzlich erbracht. Erster Ansatz zur Verbesserung der Langzeitstabilität ist der Austausch von BPhen durch ein dotiertes Elektronen-transportmaterial. Eine Variation von fünf Materialien zeigt, dass ein Zusammenhang zwischen Rauigkeit dieses Materials und der Lebensdauer besteht: So werden die besten Stabilität für Materialien wie C60 und Bis-HFl-NTCDI gezeigt, die mit einer geringen Rauigkeit aufwachsen. Die Lebensdauer beträgt am Beispiel von Bis-HFl-NTCDI bei [T=65°C; rH=2,2%] T50=762 h und ist damit etwa viermal so groß wie bei Verwendung von BPhen. Weitere Optimierungsversuche, zum Beispiel durch Variation der Elektrode, des p-Dotanden, oder der Invertierung der Struktur zeigen zwar zusätzliche Degradationspfade auf, führen aber zu keiner Verbesserung der Stabilität. Auf Basis zuvor durchgeführter Überlegungen zu Redoxreaktionen (organischer) Materialien mit Wasser und Sauerstoff wird zum Abschluss der Arbeit ein möglicher Aufbau für luftstabile organische Solarzellen vorgeschlagen.:1 Einleitung 2 Grundlagen 2.1 Organische Halbleiter 2.2 Grundlagen der Photovoltaik 2.3 Quasi-Fermi-Niveaus & Würfel-Modell 2.4 Organische Solarzellen 3 Grundlagen zu Langzeitmessungen 3.1 Anforderungen an organische Solarzellen 3.2 Materialien 4 Experimentelle Grundlagen 4.1 Herstellung der Solarzellen und Ca-Tests 4.2 Verkapselung 4.3 Charakterisierungsmethoden 4.4 Alterungsmessungen 4.5 Verwendeter Probenaufbau 5 Variation der Alterungsbedingungen 5.1 Alterung in Inertatmosphäre 5.2 Alterung in Anwesenheit von Luft 5.3 Korrelation von Laborbewitterung und Außenmessung 5.4 Zusammenfassung 6 Charakterisierung gealterter Solarzellen 6.1 TOF-SIMS 6.2 UI-Kennlinien, EQE und Absorption 6.3 Elektrolumineszenzmessungen 6.4 Elektrische Simulation 6.5 LDI-TOF-MS 6.6 Zusammenfassung 7 Optimierung der Lebensdauer 7.1 Variation der Elektronentransportschicht in pin-Solarzellen 7.1.5.2 Rauigkeit 7.1.6 Zusammenfassung 7.2 Invertierte Struktur: pin vs. nip 7.3 Variation des Deckkontaktes 7.4 Variationen in der Lochtransportschicht 7.5 Zusammenfassung: Optimierung der Lebensdauer 8 Zusammenfassung und Ausblick 8.1 Zusammenfassung 8.2 Ausblick

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.:Zusammenfassung 5 Abstract 6 Publications 13 Introduction 17 Basic Principles of Organic Semiconductors and Related Devices 23 1. The Physics of Organic Semiconductors 25 1.1. Electronic and structural properties of organic semiconductors 28 1.2. Charge carrier transport 34 1.3. Doping of organic semiconductors 43 2. Organic field-effect transistors 47 2.1. Operational principle 50 2.2. Functional interfaces in OFETs 55 2.3. Contact resistance and short-channel effects in OFETs 60 2.4. Applications of OFETs and related devices 65 3. Vertical organic transistors 77 3.1. Organic permeable-base transistors (OPBTs) and organic static induction transistors (OSITs) 81 3.2. Organic Schottky barrier transistors (OSBTs) 85 3.3. Vertical organic field-effect transistors (VOFETs) 90 Study of the Vertical Organic Field-Effect Transistor 97 4. Methods and Materials 99 4.1. Materials 101 4.2. Sample preparation 104 4.3. Sample characterisation 110 5. Material Optimisation for VOFETs 121 5.1. Variation of the source insulator 123 5.2. Effects of the pentacene morphology 133 5.3. Summary 137 6. Charge Transport in the VOFET 139 6.1. Simulating current flow in the VOFET 141 6.2. The vertical channel 154 6.3. Charge transport in pentacene 161 6.4. Effects of mobility and layer thickness in pentacene VOFETs 167 6.5. Summary 175 7. Doping Concepts for VOFETs 177 7.1. Doping of the bulk regions 179 7.2. Selective contact doping 183 7.3.Impact on the understanding of VOFET operation 194 7.4. Summary 198 8. Vertical Organic Inversion Transistors 201 8.1. Discussion of suitable material systems 204 8.2. Realising inversion VOFETs 207 8.3. Summary 212 9. Conclusion and Outlook 215 9.1. Conclusion 217 9.2. Outlook 219 Appendix 221 A. XRD spectra of pentacene films 223 B. Additional simulation data 227 Bibliography 229 Addresses 257 Important Symbols, Constants and Abbreviations 263 List of Figures 271 Acknowledgements 283 / 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.:Zusammenfassung 5 Abstract 6 Publications 13 Introduction 17 Basic Principles of Organic Semiconductors and Related Devices 23 1. The Physics of Organic Semiconductors 25 1.1. Electronic and structural properties of organic semiconductors 28 1.2. Charge carrier transport 34 1.3. Doping of organic semiconductors 43 2. Organic field-effect transistors 47 2.1. Operational principle 50 2.2. Functional interfaces in OFETs 55 2.3. Contact resistance and short-channel effects in OFETs 60 2.4. Applications of OFETs and related devices 65 3. Vertical organic transistors 77 3.1. Organic permeable-base transistors (OPBTs) and organic static induction transistors (OSITs) 81 3.2. Organic Schottky barrier transistors (OSBTs) 85 3.3. Vertical organic field-effect transistors (VOFETs) 90 Study of the Vertical Organic Field-Effect Transistor 97 4. Methods and Materials 99 4.1. Materials 101 4.2. Sample preparation 104 4.3. Sample characterisation 110 5. Material Optimisation for VOFETs 121 5.1. Variation of the source insulator 123 5.2. Effects of the pentacene morphology 133 5.3. Summary 137 6. Charge Transport in the VOFET 139 6.1. Simulating current flow in the VOFET 141 6.2. The vertical channel 154 6.3. Charge transport in pentacene 161 6.4. Effects of mobility and layer thickness in pentacene VOFETs 167 6.5. Summary 175 7. Doping Concepts for VOFETs 177 7.1. Doping of the bulk regions 179 7.2. Selective contact doping 183 7.3.Impact on the understanding of VOFET operation 194 7.4. Summary 198 8. Vertical Organic Inversion Transistors 201 8.1. Discussion of suitable material systems 204 8.2. Realising inversion VOFETs 207 8.3. Summary 212 9. Conclusion and Outlook 215 9.1. Conclusion 217 9.2. Outlook 219 Appendix 221 A. XRD spectra of pentacene films 223 B. Additional simulation data 227 Bibliography 229 Addresses 257 Important Symbols, Constants and Abbreviations 263 List of Figures 271 Acknowledgements 283