Using photoelectron spectroscopy, we show measurements of energy level alignment of organic semiconducting layers. The main focus is on the properties and the influence of doped layers. The investigations on the p-doping process in organic semiconductors show typical charge carrier concentrations up to 2*10E20 cm-3. By a variation of the doping concentration, an over proportional influence on the position of the Fermi energy is observed. Comparing the number of charge carriers with the amount of dopants present in the layer, it is found that only 5% of the dopants undergo a full charge transfer. Furthermore, a detailed investigation of the density of states beyond the HOMO onset reveals that an exponentially decaying density of states reaches further into the band gap than commonly assumed. For an increasing amount of doping, the Fermi energy gets pinned on these states which suggests that a significant amount of charge carriers is present there. The investigation of metal top and bottom contacts aims at understanding the asymmetric current-voltage characteristics found for some symmetrically built device stacks. It can be shown that a reaction between the atoms from the top contact with the molecules of the layer leads to a change in energy level alignment that produces a 1.16eV lower electron injection barrier from the top. Further detailed investigations on such contacts show that the formation of a silver top contact is dominated by diffusion processes, leading to a broadened interface. However, upon insertion of a thin aluminum interlayer this diffusion can be stopped and an abrupt interface is achieved. Furthermore, in the case of a thick silver top contact, a monolayer of molecules is found to float on top of the metal layer, almost independent on the metal layer thickness. Finally, several device stacks are investigated, regarding interface dipoles, formation of depletion regions, energy alignment in mixed layers, and the influence of the built-in voltage. We show schematic energy level alignments of pn junctions, pin homojunctions, more complex pin heterojunctions with Zener-diode characteristics, as well as a complete OLED stack. The results allow a deeper insight in the working principle of such devices. / Mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie werden in der vorliegenden Arbeit Energieniveaus an Grenzflächen von organischen Halbleitern untersucht, wobei ein Hauptaugenmerk auf dem Einfluss und den Eigenschaften dotierter Schichten liegt. Bei der Untersuchung grundlegender Eigenschaften eines p-dotierten organischen Halbleiters können Ladungsträgerkonzentrationen bis zu 2*10E20 cm-3 nachgewiesen werden. Eine Variation der Dotierkonzentration zeigt einen überproportionalen Einfluss der Ladungsträger auf die Position des Ferminiveaus verglichen mit Experimenten an anorganischen Schichten. Durch den Vergleich mit der Anzahl Dotanden in der Schicht kann gezeigt werden, dass dabei nur etwa 5% der Dotanden einen vollständigen Ladungstransfer eingehen. Eine detaillierte Untersuchungen der Zustandsdichte jenseits des HOMOs (Highest Occupied Molecular Orbital) zeigt, dass die exponentiell abfallende Flanke der Zustandsdichte weiter in die Bandlücke hineinreicht als üblicherweise angenommen. Das Ferminiveau erfährt bei steigender Dotierung ein Pinning an diesen Zuständen, was für eine signifikante Ladungsträgerkonzentration spricht. Weiterhin wurden Untersuchungen zu Metal Top- und Grundkontakten durchgeführt. Es kann gezeigt werden, dass die Ursache für die Entstehung unsymmetrischer Strom-Spannungskurven, trotz eines symmetrischen Probenaufbaus, an einer Reaktion zwischen dem Molekül und den Metallatomen liegt. Dadurch entsteht eine um 1.16eV reduzierte Injektionsbarriere für Elektronen am Topkontakt. Weitere detaillierte Untersuchungen an diesen Topkontakten zeigen, dass im Falle von Silber als Metall diese Grenzfläche von Diffusionsprozessen dominiert ist. Im Gegensatz dazu zeigt das unedle Metall Aluminium keine Diffusion und führt zu abrupten Grenzflächen. Im ersten Fall kann zudem eine Monolage vom Molekül auf dem Metallkontakt nachgewiesen werden, die unabhängig von der Metalldicke aufschwimmt. Zuletzt werden Bauelemente oder Teile solcher mit Photoelektronenspektroskopie vermessen. Hierbei werden die Grenzflächendipole, die Ausbildung von Verarmungszonen, die Energieangleichung in Mischschichten und der Einfluss der Eingebauten Spannung untersucht. Es können die Banddiagramme von pn-Übergängen, einfachen pin Homoübergängen, komplexeren pin Heteroübergänge mit Zener-Dioden Verhalten sowie eine gesamte OLED gezeigt werden. Die Ergebnisse erlauben einen tieferen Einblick in die Arbeitsweise solcher Bauelemente.

Organische Halbleiter sind Moleküle und Polymere, welche durch die Konjugation ihres Elektronensystems Eigenschaften erhalten, die klassischen anorganischen Halbleitern ähnlich sind. Dadurch eignen sie sich zur Anwendung in Solarzellen, Leuchtdioden, Farbstoffen und Photokatalysatoren. Im Gegensatz zu anorganischen Halbleitern bilden organische Halbleiter in dünnen Filmen meist ungeordnete Strukturen. Diese räumliche und energetische Unordnung ist auf molekulare Eigenschaften zurückzuführen und erschwert das Verständnis der Wirkungsweise von Bauteilen, wie beispielsweise organischen Solarzellen. Ursache ist, dass sich die photophysikalischen Eigenschaften einzelner organischer Halbleitermoleküle deutlich von ungeordneten Filmen unterscheiden. Der für die Wechselwirkung mit Licht entscheidende Bestandteil eines solchen Moleküls bzw. Monomers wird als Chromophor (griechisch Farbträger) bezeichnet. Die Interaktion von Chromophoren mit der umgebenden Matrix aus gleichen oder anderen Molekülen ist von zentraler Bedeutung für das Verständnis organischer Halbleiter und damit der Verbesserung von Bauteilen aus diesen Materialien. In der vorliegenden Arbeit werden neue experimentelle und mathematische Verfahren zur Analyse und Interpretation der photophysikalischen Eigenschaften von Chromophoren in Filmen organischer Halbleiter entwickelt und auf verschiedene Materialsysteme angewandt. Die wesentlichen Erkenntnisse und Leistungen dieser Arbeit sind der erstmalige Nachweis der Zeitabhängigkeit der Stokes-Verschiebung (Differenz von Emission und Absorption eines Farbstoffs), die empirische Herleitung eines Chromophormodells zur Beschreibung von Exzitonendiffusion in Polymeren, die molekülbezogene Modellierung verzögerter Fluoreszenz sowie die ortsaufgelöste Emissions- und Absorptionsmessung eines Ladungstransferzustandes. Die experimentellen Ergebnisse, entwickelten Methoden und hergeleiteten Modelle sind im Forschungsgebiet der organischen Halbleiter für verschiedene Teildisziplinen (Einzelmolekülspektroskopie, Solarzellen, Leuchtdioden, Photokatalyse) bedeutsam. Die Arbeit beschreibt damit themenübergreifend den Zusammenhang zwischen photophysikalischen Eigenschaften organischer Halbleiter und ihrer Ursache in den molekularen und energetischen Gegebenheiten einzelner Chromophore.

Using photoelectron spectroscopy, we show measurements of energy level alignment of organic semiconducting layers. The main focus is on the properties and the influence of doped layers. The investigations on the p-doping process in organic semiconductors show typical charge carrier concentrations up to 2*10E20 cm-3. By a variation of the doping concentration, an over proportional influence on the position of the Fermi energy is observed. Comparing the number of charge carriers with the amount of dopants present in the layer, it is found that only 5% of the dopants undergo a full charge transfer. Furthermore, a detailed investigation of the density of states beyond the HOMO onset reveals that an exponentially decaying density of states reaches further into the band gap than commonly assumed. For an increasing amount of doping, the Fermi energy gets pinned on these states which suggests that a significant amount of charge carriers is present there. The investigation of metal top and bottom contacts aims at understanding the asymmetric current-voltage characteristics found for some symmetrically built device stacks. It can be shown that a reaction between the atoms from the top contact with the molecules of the layer leads to a change in energy level alignment that produces a 1.16eV lower electron injection barrier from the top. Further detailed investigations on such contacts show that the formation of a silver top contact is dominated by diffusion processes, leading to a broadened interface. However, upon insertion of a thin aluminum interlayer this diffusion can be stopped and an abrupt interface is achieved. Furthermore, in the case of a thick silver top contact, a monolayer of molecules is found to float on top of the metal layer, almost independent on the metal layer thickness. Finally, several device stacks are investigated, regarding interface dipoles, formation of depletion regions, energy alignment in mixed layers, and the influence of the built-in voltage. We show schematic energy level alignments of pn junctions, pin homojunctions, more complex pin heterojunctions with Zener-diode characteristics, as well as a complete OLED stack. The results allow a deeper insight in the working principle of such devices. / Mit Hilfe der Photoelektronenspektroskopie werden in der vorliegenden Arbeit Energieniveaus an Grenzflächen von organischen Halbleitern untersucht, wobei ein Hauptaugenmerk auf dem Einfluss und den Eigenschaften dotierter Schichten liegt. Bei der Untersuchung grundlegender Eigenschaften eines p-dotierten organischen Halbleiters können Ladungsträgerkonzentrationen bis zu 2*10E20 cm-3 nachgewiesen werden. Eine Variation der Dotierkonzentration zeigt einen überproportionalen Einfluss der Ladungsträger auf die Position des Ferminiveaus verglichen mit Experimenten an anorganischen Schichten. Durch den Vergleich mit der Anzahl Dotanden in der Schicht kann gezeigt werden, dass dabei nur etwa 5% der Dotanden einen vollständigen Ladungstransfer eingehen. Eine detaillierte Untersuchungen der Zustandsdichte jenseits des HOMOs (Highest Occupied Molecular Orbital) zeigt, dass die exponentiell abfallende Flanke der Zustandsdichte weiter in die Bandlücke hineinreicht als üblicherweise angenommen. Das Ferminiveau erfährt bei steigender Dotierung ein Pinning an diesen Zuständen, was für eine signifikante Ladungsträgerkonzentration spricht. Weiterhin wurden Untersuchungen zu Metal Top- und Grundkontakten durchgeführt. Es kann gezeigt werden, dass die Ursache für die Entstehung unsymmetrischer Strom-Spannungskurven, trotz eines symmetrischen Probenaufbaus, an einer Reaktion zwischen dem Molekül und den Metallatomen liegt. Dadurch entsteht eine um 1.16eV reduzierte Injektionsbarriere für Elektronen am Topkontakt. Weitere detaillierte Untersuchungen an diesen Topkontakten zeigen, dass im Falle von Silber als Metall diese Grenzfläche von Diffusionsprozessen dominiert ist. Im Gegensatz dazu zeigt das unedle Metall Aluminium keine Diffusion und führt zu abrupten Grenzflächen. Im ersten Fall kann zudem eine Monolage vom Molekül auf dem Metallkontakt nachgewiesen werden, die unabhängig von der Metalldicke aufschwimmt. Zuletzt werden Bauelemente oder Teile solcher mit Photoelektronenspektroskopie vermessen. Hierbei werden die Grenzflächendipole, die Ausbildung von Verarmungszonen, die Energieangleichung in Mischschichten und der Einfluss der Eingebauten Spannung untersucht. Es können die Banddiagramme von pn-Übergängen, einfachen pin Homoübergängen, komplexeren pin Heteroübergänge mit Zener-Dioden Verhalten sowie eine gesamte OLED gezeigt werden. Die Ergebnisse erlauben einen tieferen Einblick in die Arbeitsweise solcher Bauelemente.

This thesis is about the development and validation of a numerical model for the simulation of the current-voltage characteristics of organic thin-film devices. The focus is on the analysis of a white organic light-emitting diode (OLED) with fluorescent blue and phosphorescent red and green emitters. The simulation model describes the charge transport as a one-dimensional drift-diffusion current and is developed on the basis of the Scharfetter-Gummel method. It incorporates modern theories for the charge transport in disordered organic materials, which are considered by means of special functions for the diffusion coefficient and the charge-carrier mobility. The algorithm is designed such that it can switch between different models for mobility and calculates both transient and steady-state solutions. In the analysis of the OLED, electron and hole transport are investigated separately in series of single-carrier devices. These test devices incorporate parts of the layers in the OLED between symmetrically arranged injection layers that are electrically doped. Thereby, the OLED layer sequence is reconstructed step by step. The analysis of the test devices allows to obtain the numerous parameters which are required for the simulation of the complete OLED and reveals many interesting features of the OLED. For instance, it is shown how the accumulation of charge carriers in front of an interface barrier increases the mobility and the transfer rate across the interface. Furthermore, it is demonstrated how to identify charge-trapping states. This leads to the detection of deep trap states in the emission zone of the OLED -- an interesting aspect, since these states can function as recombination centers and may cause non-radiative losses. Moreover, various other effects such as interface dipoles and a slight freeze-out of active electric dopants in the injection layers are observed. In the simulations of the numerous test devices, the parameters are consistently applied. Thereby, the agreement between simulation and experiment is excellent, which demonstrates the correctness and applicability of the developed model. Finally, the complete OLED is successfully simulated on the basis of the parameters that have been obtained in the analysis of the single-carrier devices. The simulation of the OLED illustrates the transport levels of electrons and holes, and proofs that the OLED efficiency is low because of non-radiative recombination in the interlayer between the phosphorescent and fluorescent emission zones. In this context, many interesting issues are discussed, e.g. the applicability of the Langevin model in combination with the mobility models for the description of recombination and the relevance of interactions between free charge carriers and excitons.

This study focuses on the investigation of the key parameters that determine the optical and electrical characteristics of inverted top-emitting organic light emitting diodes (OLED). A co-deposition of small molecules in vacuum is used to establish electrically doped films that are applied in n-i-p layered devices. The knowledge about the functionality of each layer and parameter is important to develop efficient strategies to reach outstanding device performances. In the first part, the thin film optics of top-emitting OLEDs are investigated, focusing on light extraction via cavity tuning, external outcoupling layers (capping layer), and the application of microlens films. Optical simulations are performed to determine the layer configuration with the maximum light extraction efficiency for monochrome phosphorescent devices. The peak efficiency is found at 35%, while varying the thickness of the charge transport layers, the semitransparent anode, and the capping layer simultaneously. Measurements of the spatial light distribution validate, that the capping layer influences the spectral width and the resonance wavelength of the extracted cavity mode, especially for TM polarization. Further, laminated microlens films are applied to benefit from strong microcavity effects in stacked OLEDs by spatial mixing of external and to some extend internal light modes. These findings are used to demonstrate white top-emitting OLEDs on opaque substrates showing power conversion efficiencies up to 30 lm/W and a color rendering index of 93, respectively. In the second part, the charge carrier management of n-i-p layered diodes is investigated as it strongly deviates from that of the p-i-n layered counterparts. The influence of the bottom cathode material and the electron transport layer is found to be negligible in terms of driving voltage, which means that the assumption of an ohmic bottom contact is valid. The hole transport and the charge carrier injection at the anode is much more sensitive to the evaporation sequence, especially when using hole transport materials with a glass transition temperature below 100°C. As a consequence, thermal annealing of fabricated inverted OLEDs is found to drastically improve the device electronics, resulting in lower driving voltages and an increased internal efficiency. The annealing effect on charge transport comes from a reduced charge accumulation due to an altered film morphology of the transport layers, which is proven for electrons and for holes independently. The thermal treatment can further lead to a device degradation. Finally, the thickness and the material of the blocking layers which usually control the charge confinement inside the OLED are found to influence the recombination much more effectively in inverted OLEDs compared to non-inverted ones.

The scientific research on organic luminescent molecules is a broadly diversified field.In the present work, two topics have received special attention: First, room-tem-perature phosphorescence (RTP) in amorphous organic layers, and second, specialapplications of organic LEDs (OLEDs). Since the phosphorescence as a transition between a triplet and a singlet state is notspin conservative, it is natively very slow and is usually overlaid by non-radiativetransitions. Experiments on triplet states are therefore often performed at low tem-peratures. Escaping this limitation, the topic of RTP arises, wherein biluminescenceis a special case. This means that phosphorescence and fluorescence can be observedsimultaneously and special attention is paid to the interaction of the two processes. After a theoretical and methodological introduction, this work transfers an establishedmethod for the determination of the photoluminescence quantum yield (PLQY) tobiluminescent and RTP systems. Among other things, it was shown that interactionsbetween the states must be taken into account in order to obtain correct results.Different physical competences can and must be combined, for example to detect thesole phosphorescent contribution to the PLQY of a biluminescent system. However,there is no literature on the consideration of statistical measurement uncertaintiesduring the PLQY acquisition itself. This gap could be closed by developing a methodthat cleverly exploits the measurement principle to obtain a broad statistical basis fordata analysis with moderate additional experimental effort. This evaluation methodhas its strength especially in the fact that it is independent of the actually investigatedobject and thus has relevance beyond research on organic emitters. The following chapter deals with more basic properties of RTP, analysing a num-ber of molecules that can be interpreted as fragments of the well-known tetra-N-phenylbenzidine (TPB). Using a combination of optical characterization and quan-tum mechanical simulations, the twisted biphenyl-core of TPB has been identified asthe basic molecular building block for efficient radiative triplet-singlet transitions. The systematics coming with a series of similar molecules, was further used to developa numerical fit routine for biluminescent processes. Different numbers of bromineatoms were synthetically attached to TPB, which creates a heavy-atom effect thatenhances spin flips and thus triplet-singlet transitions. Mathematically, the dynamicsof the transition processes can be described with a system of coupled differentialequations. The core elements therein are the transition rates, which reflect the timeconstants of the corresponding processes. Radiative and non-radiative transitions aswell as intermolecular interactions could be quantified that way. The last part of the thesis deals with the physics of OLEDs and the developmentof particular OLED applications. Especially the concept of AC/DC OLEDs is deep-ened, which allows an operation with alternating current (AC) by a combination ofdirect-current (DC) components. The big advantage of this design is the independentcontrollability of two diodes within one light source. This allows, for example, thecontinuous adjustment of the emission colour over a wide range. Further improve-ments such as transparency and improved colour rendering are the results of thiswork. Finally, the AC/DC strategy was transferred to a completely new application,in which spatially different radiation characteristics are developed and exploited.:Abstract List of Publications List of Abbreviations I Fundamentals 1 Introduction 2 Organic Luminophores 2.1 Physical Basics of Organic Molecules 2.1.1 Molecular Orbitals 2.1.2 Spin States of Molecules 2.2 Transitions 2.2.1 Jablonski Diagrams 2.2.2 Singlet-Triplet Transitions 2.3 Non-Linear Processes 2.3.1 Förster and Dexter Transfer 2.3.2 Bimolecular Annihilation Processes 2.3.3 Other Quenching Mechanisms 2.4 Room-Temperature Phosphorescence and Biluminescence 2.5 Rate Equations for Luminescent Molecules 3 Methods and Techniques 3.1 Materials 3.1.1 Materials for Biluminescence and RTP Experiments 3.1.2 OLED Materials 3.1.3 PLQY Reference Samples 3.2 Sample Preparation 3.2.1 Spin Coating 3.2.2 Thermal Evaporation 3.3 Setups for Photoluminescent characterization 3.3.1 Enterprise 3.3.2 Time-Correlated Single Photon Counting 3.3.3 PLQY Setup 3.3.4 Fluoromax 3.4 Setups for OLED characterization 3.4.1 DC Electroluminescence 3.4.2 AC Electroluminescence 3.4.3 Beam-Shaping Profiles 3.4.4 Transparency 3.5 Line Shape Analysis of Emission Spectra II Biluminescence of Organic Molecules 4 Photoluminescence Quantum Yield (PLQY) Measurements 4.1 Measurement and Evaluation Procedure 4.2 Experimental Influences on the Results 4.2.1 Importance of the B Measurement 4.2.2 Calibration of the Setup 4.2.3 Other Systematic Errors 4.3 Data Evaluation 4.3.1 Subtraction of the Background 4.3.2 Choosing the Wavelengths for Evaluation 4.3.3 Statistical Data Analysis 4.3.4 Reabsorption in the Sample 4.4 Application of PLQY Measurements 4.4.1 PLQY Values of Reference Samples 4.4.2 The PLQY of Biluminescent Samples 4.4.3 Negative PLQY and the Influence of Quenching 5 TPB fragments 5.1 Motivation and Scope of the Experiment 5.2 Spectroscopic Characterization 5.3 Discussion of the Results 6 Brominated TPB as Test Case for Rate Equation Fitting 6.1 Scope and Expectations 6.2 The Heavy-Atom Effect 6.3 Estimation of the ISC Rate 6.4 Rate Equation Fitter 6.4.1 Experimental Input parameters 6.4.2 Determination of𝑘rand𝑘nr 6.4.3 Discussion of the Fit Routine 6.4.4 Data Acquisition and Experimental Influences 6.5 PL Characteristics of the BrxTPB-Series 6.6 Fit Curves and Numerical Values 6.7 Discussion 7 Summary of Part II III Organic Light-Emitting Diodes 8 Introduction and Theoretical Background 8.1 OLEDs in the Framework of This Thesis 8.2 Introduction and Recent Advances 8.3 Organic Semiconductors and Light-Emitting Diodes 8.3.1 Charge Carrier Transport 8.3.2 Organic Diode Structure 8.3.3 Luminescent Measures 8.3.4 The Emission Colour 8.3.5 Efficiency Parameters of OLEDs 9 Advances in AC/DC OLEDs 9.1 Transparent and colour-tunable OLEDs 9.2 Real-Time Beam Shaping OLEDs 9.2.1 The Influence of the Cavity Mode 9.2.2 Angularly Confined Emission 9.2.3 Results and Discussion 10 Angular resolved EQE 11 Summary of Part III Appendix A Low Intensity Noise of the Spectrometer B Calculation of the Density of Triplet States C User Manual for Grape C.1 The Figures C.2 Options C.3 Outputs C.4 Internal Data Processing D TPB-Fragments: Line-Shape Analysis E BrxTPB Fit Curves F Side projects Bibliography Acknowledgements / Die wissenschaftliche Forschung an organischen lumineszenten Molekülen ist ein breitgefächertes Themenfeld. In der hier vorliegenden Arbeit fanden besonders zwei The-men Beachtung: zum einen die Raumtemperaturphosphoreszenz (RTP) in amorphenorganischen Schichten, und zum anderen spezielle Anwendungen organischer LEDs(OLEDs). Da die Phosphoreszenz als Übergang zwischen einem Triplett- und einem Sigulettzu-stand nicht spinerhaltend ist, ist er nativ sehr langsam und wird meist von nicht-strahlenden Übergängen überlagert. Häufig finden Experimente zu Triplettzustän-den daher unter sehr niedrigen Temperaturen statt. Diese Einschränkung entgehend,ergibt sich das Themenfeld der RTP, worin die Bilumineszenz ein Spezialfall ist. Dasbedeutet, dass zeitgleich Phosphoreszenz und Fluoreszenz beobachtbar sind und einbesonderes Augenmerk auf dem Wechselspiel der beiden Prozesse liegt. Nach einer theoretischen und methodischen Einführung, wird in der vorliegenden Ar-beit eine etablierte Methode zur Bestimmung der Photolumineszenzeffizienz (PLQY)auf bilumineszente und RTP-Systeme übertragen. Unter anderem zeigte sich hierin,dass besonders Interaktionen zwischen den Zuständen berücksichtigt werden müssen,um korrekte Ergebnisse zu erhalten. Unterschiedliche physikalische Kompetenzenkönnen und müssen kombiniert werden, um zum Beispiel den alleinigen phospho-reszenten Anteil an der PLQY eines biluminszenten Systems zu detektieren. Aller-dings existiert keine Literatur zur Berücksichtigung statistischer Messunsicherheitenwährend der PLQY Detektion. Diese Lücke konnt durch eine entwickelte Methodegeschlossen werden, die das Messprinzip geschickt ausnutzt, um mit moderatem ex-perimentellem Mehraufwand eine breite statistische Basis zur Datenanalyse zu erhal-ten. Diese Auswertemethode hat ihre Stärke besonders darin, dass sie vom eigentlichuntersuchten Objekt unabhängig ist und damit auch Relevanz jenseits der Forschungan organischen Emittern hat. Im anschließenden Kapitel werden grundlegendere Eigenschaften der RTP behandelt,wobei eine Reihe an Molekülen analysiert wird, die als Fragmente des bekannten tetra-N-phenylbenzidine (TPB) interpretiert werden können. Mit einer Kombination ausoptischer Charakterisierung und quantenmechanischen Simulationen konnte der ver-drillte Biphenylkern von TPB als der grundlegende molekulare Baustein für effizientestrahlende Triplett-Singulett-Übergänge identifiziert werden. Die Systematik, die Serien ähnlicher Moleküle mit sich bringen, wurde weiterhingenutzt, um eine numerische Anpassungsroutine für bilumineszente Prozesse zu ent-wickeln. TPB Moleküle wurden synthetisch mit verschiedener Zahl an Bromatomenversehen, was einen Schweratomeffekt erzeugt, der Spinumkehr und damit auch Trip-lett-Singulett-Übergänge verstärkt. Mathematisch kann die Dynamik der Übergangs-prozesse mit einen System gekoppelter Differentialgleichungen beschrieben werden.Die Kernelemente darin die Übergangsraten, die die Zeitkonstanten der entsprechen-den Prozesse widerspiegeln. In der vorliegendenden Arbeit konnten somit strahlendeund nichtstrahlende Übergänge, sowie intermolekulare Wechselwirkungen quantifi-ziert werden. Der letzte Teil der Arbeit befasst sich mit der Physik und der Anwendung von OLEDs.Besonders das Konzept der AC/DC OLEDs wird dabei vertieft, das durch eine Kom-bination aus Gleichstrombauteilen, einen Betrieb mit Wechselstrom ermöglicht. Dergroße Vorteil dieses Aufbaus ist die unabhängige Ansteuerbarkeit zweier Dioden in-nerhalb einer Lichtquelle. Das erlaubt zum Beispiel die stufenlose Einstellung derEmissionsfarbe über einen weiten Bereich. Weitere Verbesserungen wie Transparenzund eine verbesserte Farbwiedergabe sind Ergebnisse dieser Arbeit. Letztlich wurdedie AC/DC Strategie auf einen völlig neuen Anwendungsfall übertragen, in dem räum-lich verschiedene Abstrahlcharakteristiken entwickelt und ausgenutzt werden.:Abstract List of Publications List of Abbreviations I Fundamentals 1 Introduction 2 Organic Luminophores 2.1 Physical Basics of Organic Molecules 2.1.1 Molecular Orbitals 2.1.2 Spin States of Molecules 2.2 Transitions 2.2.1 Jablonski Diagrams 2.2.2 Singlet-Triplet Transitions 2.3 Non-Linear Processes 2.3.1 Förster and Dexter Transfer 2.3.2 Bimolecular Annihilation Processes 2.3.3 Other Quenching Mechanisms 2.4 Room-Temperature Phosphorescence and Biluminescence 2.5 Rate Equations for Luminescent Molecules 3 Methods and Techniques 3.1 Materials 3.1.1 Materials for Biluminescence and RTP Experiments 3.1.2 OLED Materials 3.1.3 PLQY Reference Samples 3.2 Sample Preparation 3.2.1 Spin Coating 3.2.2 Thermal Evaporation 3.3 Setups for Photoluminescent characterization 3.3.1 Enterprise 3.3.2 Time-Correlated Single Photon Counting 3.3.3 PLQY Setup 3.3.4 Fluoromax 3.4 Setups for OLED characterization 3.4.1 DC Electroluminescence 3.4.2 AC Electroluminescence 3.4.3 Beam-Shaping Profiles 3.4.4 Transparency 3.5 Line Shape Analysis of Emission Spectra II Biluminescence of Organic Molecules 4 Photoluminescence Quantum Yield (PLQY) Measurements 4.1 Measurement and Evaluation Procedure 4.2 Experimental Influences on the Results 4.2.1 Importance of the B Measurement 4.2.2 Calibration of the Setup 4.2.3 Other Systematic Errors 4.3 Data Evaluation 4.3.1 Subtraction of the Background 4.3.2 Choosing the Wavelengths for Evaluation 4.3.3 Statistical Data Analysis 4.3.4 Reabsorption in the Sample 4.4 Application of PLQY Measurements 4.4.1 PLQY Values of Reference Samples 4.4.2 The PLQY of Biluminescent Samples 4.4.3 Negative PLQY and the Influence of Quenching 5 TPB fragments 5.1 Motivation and Scope of the Experiment 5.2 Spectroscopic Characterization 5.3 Discussion of the Results 6 Brominated TPB as Test Case for Rate Equation Fitting 6.1 Scope and Expectations 6.2 The Heavy-Atom Effect 6.3 Estimation of the ISC Rate 6.4 Rate Equation Fitter 6.4.1 Experimental Input parameters 6.4.2 Determination of𝑘rand𝑘nr 6.4.3 Discussion of the Fit Routine 6.4.4 Data Acquisition and Experimental Influences 6.5 PL Characteristics of the BrxTPB-Series 6.6 Fit Curves and Numerical Values 6.7 Discussion 7 Summary of Part II III Organic Light-Emitting Diodes 8 Introduction and Theoretical Background 8.1 OLEDs in the Framework of This Thesis 8.2 Introduction and Recent Advances 8.3 Organic Semiconductors and Light-Emitting Diodes 8.3.1 Charge Carrier Transport 8.3.2 Organic Diode Structure 8.3.3 Luminescent Measures 8.3.4 The Emission Colour 8.3.5 Efficiency Parameters of OLEDs 9 Advances in AC/DC OLEDs 9.1 Transparent and colour-tunable OLEDs 9.2 Real-Time Beam Shaping OLEDs 9.2.1 The Influence of the Cavity Mode 9.2.2 Angularly Confined Emission 9.2.3 Results and Discussion 10 Angular resolved EQE 11 Summary of Part III Appendix A Low Intensity Noise of the Spectrometer B Calculation of the Density of Triplet States C User Manual for Grape C.1 The Figures C.2 Options C.3 Outputs C.4 Internal Data Processing D TPB-Fragments: Line-Shape Analysis E BrxTPB Fit Curves F Side projects Bibliography Acknowledgements

Das Hauptziel dieser Arbeit war ursprünglich die Umsetzung des Konzeptes des Bipolartransistors mit organischen Halbleitern. Obwohl dieses elektronische Bauteil eine Grundfeste klassischer Elektronik darstellt, war es bislang nicht möglich Stromverstärkung mit organischen Halbleitern nachzuweisen. Das Prinzip des Bipolartransistors ist eng verknüpft mit der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger. Aufgrund der amorphen Struktur typischer organischer Materialien, sind Diffusionsprozesse in der Regel stark unterdrückt. Eine mögliche Lösung sind organische Halbleiterkristalle, welche aufgrund ihrer Ordnung signifikant längere Diffusionslängen gewährleisten sollten. Der erste Teil dieser Arbeit untersucht Wachstumsmethoden unterschiedlicher Kristallkonfiguration des Halbleiters Rubrene in Dünnschichtform. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf dem Einfluss von Dotierung auf den Kristallisationsprozess. Drei der Kristallphasen werden auf optimale Reproduzierbarkeit optimiert und umfangreich mit strukturellen Methoden untersucht. Die Strukturanalyse wird erweitert durch Untersuchungen des vertikalen Leitungsverhaltens der unterschiedlichen Kristallphasen in reiner, lochdotierter und elektronendotierter Form. Dünne Schichten aus Rubrene in der triklinen Kristallform zeigen hierbei Rekordwerte für die vertikale Beweglichkeit. Der zweite Teil dieser Arbeit untersucht elektronische Bauelemente basierend auf diesen Kristallen. Zunächst werden organische Schottky, pn und pin Dioden analysiert sowie der Einfluss der einzelnen Schichten auf die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente. Als eine mögliche Anwendung dieser Dioden werden Halbwellengleichrichter untersucht, welche im Bereich über 1 GHz operieren können. Diese stellen somit die zur Zeit schnellsten organischen Halbleiterbauelemente dar. Des Weiteren werden organische Feldeffekttransistoren in lateraler und vertikaler Ausführung untersucht, um den Nutzen dieser Kristallschichten für moderne Transistorkonzepte zu verdeutlichen. Schlussendlich werden Konzepte zur Realisierung eines organischen Bipolartransistors untersucht. Darauf basierend wird das erste Bauelement dieser Art vorgestellt, welche funktionierende Stromverstärkung zeigt. Dies stellt den ersten Schritt in der Untersuchung einer neuen Klasse an organischen Bauelementen dar. Des Weiteren bietet es neue Möglichkeiten der Untersuchung fundamentaler Eigenschaften, im Speziellen im Bezug auf Minoritätsladungsträgerdiffusion. / The main motivation of this thesis was originally the realization of the Organic Bipolar Junction Transistor (OBJT), an electronic device that has not been shown in literature yet. Its functionality is intimately tied to minority charge carrier diffusion. However, diffusion lengths are usually low in amorphous organic semiconductors. Thus, methods regarding the growth and doping of thin-flms of crystalline rubrene crystals are investigated. The higher degree of order provided by crystals makes longer diffusion lengths possible. The first part of this thesis studies the growth of different crystal polymorphs of rubrene on various substrates and changing conditions, including the infuence of doping on the growth process. Three crystal phases are optimized for reproducible processing and investigated via structural measurements. The analysis of the crystal properties is followed up by a study of vertical conduction properties of pristine, p-doped, and n-doped crystals. All three types of crystals are successfully doped. The analysis reveals record-high vertical charge carrier mobilities for the triclinic polymorph of the thin-film form of rubrene. The second part of this thesis presents electronic devices based on these layers. At first, organic Schottky, pn, and pin diodes are discussed, including the influence of the individual layers on the electric properties. As an exemplary application, half-wave rectifier operating in the GHz-regime are studied, representing the fastest organic electronic device to date. Furthermore, Organic Field-Effect Transistors (OFETs) and Vertical Organic Field-Effect Transistors (VOFETs) based on these crystalline thin-őlms are made, showing promising properties in the field of vertical transistor designs. The last chapter presents investigations of several designs, stacks, and geometries regarding OBJTs. The worlds first functioning OBJT is developed, showing ampliőcation of the input-current. It is the őrst step towards an entirely new class of organic devices, offering not only new technological opportunities but new aspects of physics in regard to minority carrier diffusion as well. / Hłowny zaměr tutoho doktorskeho dzěła je realizacija prěnjeho bipolarneho transistora na zakładźe organiskich połwodźakow. Byrnjež je tuta komponenta jedna z najwažnišich a najstaršich w polu klasiskeje elektroniki, njeběše hač dotal móžno priběranje sylnosće na zakładźe milinoweho pruda pokazać. Princip bipolarneho transistora je wusko zwjazany z konceptom diffuzije minoritnych nabitkow. Organiske materialije su zwjetša amorfne, štož na difuziju bazowace procesy potłóči. Problem hodźi so rozrisać hdyž so wužija organiske połwodźace kristale kotřiž jich wjetšeho porjada dla, dlěšu difuziju zmóžnja. Prěni dźěl dźěła wopisa wšelakore konőguracije kristalow organiskeho połwodźa-ka rubren w formje ćenkich worštow. Wosebity fokus leži při tym na dotěrowanju kristalow a wliw dotanta na kristalizaciju. Tři wuzwolene polymorfy so op-timěruja a wobšěrnje strukturelnje přepytuja. Dale so elektriske kajkosće wšěch třoch kristalnych fazow přepytuja na zakładźe intrinsiskich, p-dotěrowanych a n-dotěrowanych kristalow. Trikliniske kristale pokazuja rekordne hódnoty za wertikalnu pohibliwosć. Druhi dźěl wobjednawa elektroniske komponenty na bazy tutych kristalow.Schottky, pn a pin diody na zakładźe rubrena so prezentuja, kaž tež wliw jed-notliwych worštow na elektriske kajkosče. Jako prikład so jednore wusměrjaki pokazaja, kotřriž hodźa we wobłuku ultra-wysokich frekwencow nałožować. Potajkim jedna so wo najspěšniše organiske komponenty po nětcišim stawje wedomosće. Dale so organiske transistory na bazy pólneho efekta přepytuja, kotřiž pokazaja hódnosć tutych worštow za elektroniske komponenty kotřiž wužija lateralny a wertikalny transport zromadnje. Posledni dźěl wobjednawa eksperimenty na polu organiskich bipolarnych transistorow. Wopisa so prěni organiski elektroniski element, kiž pokaza posylnjenje signala na zakładźe miliny. Je to prěni krok přepytowanja noweje klasy organiskeje elektroniki, kiž skiči nowe metody přepytowanja fundamentalnych procesow w tutych materialijach.

Die enormen Fortschritte im Bereich der organischen Elektronik in den letzten Jahrzehnten haben zur Entwicklung effizienter optoelektronischer Bauelemente geführt wie z. B. organische Leuchtdioden (OLEDs), organische Feldeffekttransistoren (OFETs) und organische Photovoltaikzellen (OPV). Darüber hinaus ermöglichen halbleitende Polymere die Herstellung kostengünstiger, großflächiger elektronischer Bauelemente mit Hilfe von Niedertemperatur Lösungsverfahren auf flexiblen Substraten. Der erste Teil dieser Arbeit befasste sich mit der Entwicklung von Host-Materialien für die emittierende Schicht (EML) von OLEDs. Effiziente Host-Materialien sollten bestimmte Eigenschaften aufweisen, z. B. eine hohe Triplett-Energie, einen hohen und ausgeglichenen Ladungsträgertransport, geeignete Grenzorbitalniveaus, die mit denen der Nachbarschichten übereinstimmen, und morphologische Stabilität. Zu diesem Zweck wurden Polymere auf Carbazolbasis mit einer elektronenziehenden Gruppe (EWG) an verschiedenen Stellen der Kette entworfen und durch Suzuki Kupplung synthetisiert. Die Polymere wurden chemisch und optisch charakterisiert, bevor sie nach Dotierung mit Tris(2-phenylpyridin)iridium(III) (Ir(ppy)3) in eine funktionierende grüne OLED eingebaut wurden. Zusätzlich wurden die Ladungstransporteigenschaften durch die Herstellung von Einzelträgergeräte untersucht. Der zweite Teil widmete sich der Herstellung von Halbleitermaterialien für OFET Anwendungen. Nach einem neuartigen Moleküldesign wurde eine Reihe von Verbindungen auf der Basis von Diketopyrrolopyrrol (DPP) und Thiophen durch Stille-Kupplung und phosphinfreie direkte Heteroarylierung synthetisiert. Dieses molekulare Design erwies sich als flexibel für die Synthese neuartiger Derivate durch Modifikation der Endgruppen. Die Korrelation zwischen Struktur und Morphologie wurde ebenfalls untersucht. Die Mobilität der Ladungsträger, welche von der chemischen Struktur und Morphologie des Halbleiters beeinflusst wird, ist einer der wichtigsten Parameter eines OFET. Daher wurden die erhaltenen Materialien mit niedriger Bandlücke in Transistoren verschiedener Architekturen integriert, die durch Lösungsverfahren wie Spin-Coating und Scherbeschichtung hergestellt wurden. Die Mobilität sowie andere OFET-Parameter wurden im p- und n-Typ-Betrieb gemessen.:1 Theoretical background 1.1 Introduction 1.2 Organic semiconductors 1.3 Organic Light Emitting Diodes 1.3.1 Physics of OLEDs 1.3.2 Solution processable OLEDs 1.3.3 Polymer Light-Emitting Diodes 1.4 Organic Field-Effect Transistors 1.4.1 Device operation 1.4.2 Ambipolar transistors 1.5 Synthesis of π-conjugated polymers 1.6 Characterisation methods 1.6.1 Chemical structure characterisation 1.6.2 Optical characterisation 1.6.3 Morphology and microstructure 2 Motivation and aim 3 Results and discussion 3.1 Polymers for ambipolar semiconductors 3.1.1 Molecular design 3.1.2 (N-carbazole)triphenylphosphine oxide polymers 3.1.3 Bis(carbazol-3-yl)triphenylphosphine oxide polymers 3.1.4 ((Carbazol-3-yl)phenoxy)hexyl diphenylphosphinate polymers 3.1.5 ((Phenothiazin-10-yl)phenyl)diphenylphosphine oxide polymers 3.1.6 Device integration 3.1.7 Summary 3.2 DPP based molecules for OFETs 3.2.1 Molecular design 3.2.2 DBT-I series 3.2.3 DBT-II 3.2.4 Device integration 3.2.5 Summary 4 Conclusions and outlook 5 Experimental part 6 Supporting Information 7 Bibliography / Staggering progress in the field of organic electronics over the past decades has led to the development of efficient optoelectronic devices, such as organic light-emitting diodes (OLEDs), organic field-effect transistors (OFETs)and organic photovoltaic cells (OPV). Moreover, semiconducting polymers enable the fabrication of low-cost, large-area electronic devices using low-temperature solution-processing methodologies on flexible substrates. The first part of this thesis focused on the development of host materials for the emitting layer (EML) of an OLED. Efficient hosts should possess a number of properties, such as high triplet energy, good and balanced charge-carrier transport, suitable frontier orbital levels that match those of the neighbouring layers, and morphological stability. To this end, carbazole-based polymers featuring an electron-withdrawing group (EWG) at different positions of the chain were designed and synthesised by Suzuki coupling. Chemical and optical characterisations of the polymers were performed prior to their incorporation into a functioning green OLED upon doping with tris(2-phenylpyridine)iridium(III) (Ir(ppy)3). Additionally, the charge-transport properties were studied through the fabrication of single-carrier devices. The second part was dedicated to the production of semiconductor materials for OFET applications. Following a novel molecular design, a series of compounds based on diketopyrrolopyrrole (DPP) and thiophene were synthesised by Stille coupling and phosphine-free direct heteroarylation. This molecular design was proven to be flexible for the synthesis of novel derivatives by modification of the end-groups. The correlation between structure and morphology was also studied. Mobility, influenced by the chemical structure and morphology of the semiconductor, is one of the most important parameters of an OFET. Thus, the obtained low bandgap materials were integrated into devices of different architectures, fabricated by solution processing methodologies, such as spin coating and shear coating, and the mobility, as well as other OFET parameters, were measured in p- and n-type operation.:1 Theoretical background 1.1 Introduction 1.2 Organic semiconductors 1.3 Organic Light Emitting Diodes 1.3.1 Physics of OLEDs 1.3.2 Solution processable OLEDs 1.3.3 Polymer Light-Emitting Diodes 1.4 Organic Field-Effect Transistors 1.4.1 Device operation 1.4.2 Ambipolar transistors 1.5 Synthesis of π-conjugated polymers 1.6 Characterisation methods 1.6.1 Chemical structure characterisation 1.6.2 Optical characterisation 1.6.3 Morphology and microstructure 2 Motivation and aim 3 Results and discussion 3.1 Polymers for ambipolar semiconductors 3.1.1 Molecular design 3.1.2 (N-carbazole)triphenylphosphine oxide polymers 3.1.3 Bis(carbazol-3-yl)triphenylphosphine oxide polymers 3.1.4 ((Carbazol-3-yl)phenoxy)hexyl diphenylphosphinate polymers 3.1.5 ((Phenothiazin-10-yl)phenyl)diphenylphosphine oxide polymers 3.1.6 Device integration 3.1.7 Summary 3.2 DPP based molecules for OFETs 3.2.1 Molecular design 3.2.2 DBT-I series 3.2.3 DBT-II 3.2.4 Device integration 3.2.5 Summary 4 Conclusions and outlook 5 Experimental part 6 Supporting Information 7 Bibliography

In the present work, charge transfer in organic semiconductors is investigated by means of photoemission spectroscopy. Organic charge transfer systems consist of electron donors and acceptors and in some cases exhibit new electronic properties that are not observed in the individual constituents. Examples are metallic conductivity and changed optical or transport gaps. The main focus were interfaces between donor and acceptor molecules that were prepared as thin films by thermal evaporation in ultra-high vacuum. In particular, the strong electron acceptor F6TCNNQ was combined with several scientifically relevant donors, with the aim of achieving a large charge transfer. As reference systems, potassium doped F6TCNNQ and the interface between F6TCNNQ and gold were studied. In both systems, a large electron transfer to F6TCNNQ with similar spectroscopic signatures was observed. The investigated organic interfaces all showed charge transfer that manifested itself in form of changes in the core levels of F6TCNNQ that were similar for each system. Also, new occupied states in the former gaps of the molecules were found. For every investigated interface the Fermi energy was pinned above the respective highest occupied molecular orbitals which entails semiconducting behaviour and no metal-like delocalised charge carriers. For the combination of F6TCNNQ and dibenzopentacene, a blended film was prepared by co-deposition and compared with the corresponding interface. It was found that the electronic properties of the blend are initially determined by electrostatic interactions, whereas annealing leads to a large charge transfer due to a temperature induced change of molecular orientation. Moreover, the acceptors F2TCNQ and F16CoPc were used in order to compare systems with the same donor and different acceptors. Differences in the degree of charge transfer and interface morphology were observed. The last part of this work addresses the electronic properties of an organic rectifier that was fabricated by collaboration partners. It is built up of an organic heterojunction of two phtalocyanines (CuPc and F16CoPc) between two gold contacts. The energy level alignment across the device and the charge transfer reactions at the different interfaces are discussed with regard to the functionality of the device.

Das Ziel der Arbeit ist die Herstellung und die Charakterisierung von Heterostrukturen des organischen Halbleiters Pentazen (PEN) mit diversen konjugierten organischen Materialien im Hinblick auf das Anwendungspotenzial im Bereich der organischen Elektronik. Für die Untersuchung von PEN-Heterostrukturen mit (i) Fulleren (C60), (ii) Perfluoropentazen (PFP) und (iii) 6,13-Pentazenchinon (PQ) wurden mehrere komplementäre experimentelle Techniken angewendet: Röntgenbeugung, Schwingungsspektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Photoelektronenspektroskopie. (i) Für PEN - Heterostrukturen mit C60 wurden die elektronischen, strukturellen und morphologischen Eigenschaften mit der Leistung von organischen Solarzellen (OSZ) für geschichtete und gemischte Systeme korreliert. Dabei wurde gezeigt, dass morphologische anstatt struktureller oder energetischer Ursachen die Leistungsunterschiede der beiden untersuchten Zelltypen erklären. (ii) Strukturuntersuchungen wurden an reinen PFP-Filmen, sowie an geschichteten und gemischten Heterostrukturen mit PEN durchgeführt. Es wurde die Struktur der PFP-Dünnfilmphase gelöst und das Wachstum von PEN+PFP Mischkristallen gezeigt, welche erfolgreich angewandt wurden, um die Ionisationsenergie (IE) des Films mit dem Mischungsverhältnis durchzustimmen. Dies wurde durch die Existenz von innermolekularen polaren Bindungen (C-H und C-F für PEN und PFP) erklärt. (iii) Für reine PQ-Filme wurde die Struktur der PQ-Dünnfilmphase gelöst (ein Molekül pro Einheitszelle). Es wurde eine stark orientierungsabhängige IE von PQ und PEN gefunden und gezeigt, dass die Energieniveaulagen für die Anwendung in OSZ geeignet sind. Die Untersuchung von Mischsystemen zeigte phasensepariertes Wachstum ohne Hinweise auf Interkalation, selbst bei PQ Konzentrationen von nur 2%. Weiters wurde gezeigt, dass O2 und Wasser keine nachhaltigen Auswirkungen auf PEN-Filme zeigen, wohingegen Singlett-Sauerstoff und Ozon diese angreifen und flüchtige Reaktionsprodukte liefern. / The scope of this work is the combination of the organic semiconductor pentacene (PEN) with different conjugated organic molecules to form application relevant heterostructures in vacuum sublimed films. Using x-ray diffraction (XRD), vibrational spectroscopy, atomic force microscopy and photoelectron spectroscopy, PEN heterostructures with (i) fullerene (C60), (ii) perfluoropentacene (PFP) and (iii) 6,13-pentacenequinone (PQ) were thoroughly characterized to judge on the respective application potential in organic electronics. (i) PEN heterostructures with C60 were investigated regarding the correlation of energetic, structural and morphological properties with the performance of organic photovoltaic cells (OPVCs) for both layered and mixed structures. Morphological rather than energetic or structural issues account for performance differences of bulk-heterojunction OPVCs compared to layered devices. (ii) XRD investigations were carried out on pure PFP films, on layered and mixed heterostructures with PEN. The thin-film polymorph of PFP was solved and it is shown that blended films form a mixed crystal structure, which led to the finding that the ionization energy (IE) of organic films composed of molecules with intramolecular polar bonds (like C-H and C-F for PEN and PFP, respectively) can be tuned through the mixing ratio. (iii) A so far unknown thin-film polymorph of PQ on SiO2 substrates was solved using XRD reciprocal space mapping evidencing a loss of the herringbone arrangement known from the PQ bulk structure. For PEN heterostructures with PQ a highly molecular-orientation dependent IE and energy level offsets interesting for the use in OPVCs were found. Mixed films of PEN and PQ exhibit phase separation and no intercalation was found even at PQ concentrations as low as 2%. Finally, it is shown that O2 and water do not react noticeably with PEN, whereas singlet oxygen and ozone readily oxidize PEN films producing volatile reaction products instead of PQ.