In this work, electronic excitations in organic semiconductors were investigated with electron energy-loss spectroscopy and optical absorption spectroscopy. Excitons are bound electron-hole pairs, which mostly determine the photophysical properties of the material. Excitons in organic semiconductors can interact with each other with two different mechanisms: Coulomb and charge-transfer coupling and a respective mix of both. Depending on which is dominating, different optical properties and a change of the exciton’s energy as a function of momentum are the consequences. This is called the exciton dispersion E(k) and can be measured by electron energy-loss spectroscopy. The obtained data were analysed with the assistance of calculations of the point dipole model, which is based on Coulomb coupling only. Four different materials were chosen, which all revealed new, unexpected insights into the field of exciton dynamics in organic crystals. The main focus of this work are molecular crystals, of which two were grown with physical vapor transport within this work. Dibenzopentacene, a pentacene derivative, was grown and characterized as a single crystal for the first time. A strong structural and optical anisotropy was revealed, which indicates, that the determination of the optical properties arises not only from the intermixing of the excitons with themselves, but also with vibrational modes. The exciton dispersion showed a smaller exciton bandwidth, than in the close relative pentacene, which suggests weaker exciton interaction parameters. As a further material, para-quaterphenyl single crystals were grown. According to the measurements a strong polarization dependence can be seen, which is underlined by calculations. Momentum dependent measurements displayed a strong dispersion of the first excitation, which could not be explained by the interaction of a molecule with the nearest neighbours, instead the next-nearest neighbours must be included to describe the dispersion appropriately. Single crystals of perylene were provided by Xianjie Liu’s group from the Linköping University. They also showed a strong anisotropy in polarization dependent optical absorption measurements. As the point dipole calculations result in a wrong polarization dependence of the first two excitations, it can be assumed that an additional contribution in the form of charge-transfer coupling between the molecules, which can flip this polarization dependence, is necessary to model the spectra properly. Contrary to the optical absorption data, the exciton dispersion is behaving similar as Coulomb coupled systems, which is confirmed by point dipole calculations. This work is completed with a momentum and temperature dependent series of pentacene thin films. It was shown that thin film spectra can represent single crystal spectra at small momenta. The according study revealed a strong temperature dependence of the exciton dispersion.

Hybridstrukturen aus organischen und anorganischen Halbleitern (HIOS) vereinen die besten Eigenschaften beider Materialklassen zu Konjugaten mit großem Anwendungspotential. Ihre engen Struktur-Eigenschafts-Beziehungen, eröffnen viele interessante wissenschaftliche Herausforderungen. Um z.B. ihre optoelektronischen Eigenschaften vorherzusagen, müssen die früher Stadien des Dünnschichtwachstums erforscht werden. Das erste Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss der Entropie auf die Oberflächendiffusion von kurzen Polyphenyl Molekülen auf amorphem Siliziumdioxid, a-SiO2 zu untersuchen. Das zweite Ziel ist es, den Einfluss partieller Fluorierung auf para-Sexiphenyls (p-6P) zu untersuchen. Des Weiteren untersuchen wir Selbstdiffusion von p-6P auf einer Zinkoxid (ZnO) Oberfläche und Selbstorganisation bzw. Schichtwachstum auf a-SiO2. Hierfür verwenden wir klassische atomistische Molekular- und Langevin-Dynamik-Simulationen, kombiniert mit klassischer Diffusionstheorie. In Bezug auf das erste Ziel quantifizieren wir die entropischen Beiträge zu den Freie-Energie-Barrieren für die Oberflächendiffusion von Polyphenylen unterschiedlicher Länge und zeigen, dass die Entropie zum dominierenden Teil der freien Energie für längere Moleküle wird. Zweitens demonstrieren wir, dass die Erhöhung der Anzahl fluorierter Gruppen im p-6P die Diffusion in der apolaren Richtung der ZnO-Oberfläche verringert, aber die Diffusion in der polaren Richtung erhöht. Drittens untersuchen wir den Einfluss der Fluorierung auf die Nukleation und das Wachstum von p-6P auf a-SiO2 mit einem Simulationsmodell, das experimentelle Gasphasenepitaxie nachahmt. Wir reproduzieren korrekte Einheitszellen bei Raumtemperatur und zeigen, dass die Erhöhung der Anzahl fluorierter Gruppen zu einem Schicht-für-Schicht-Wachstum auf der Oberfläche führt. Diese Arbeit ebnet den Weg für zukünftige Simulationen von Dünnschichtwachstum kleiner organischer Moleküle auf anorganischen Oberflächen. / Hybrid structures of organic molecules and inorganic semiconductors (HIOS) combine favorable properties of each material into conjugates with great application potential. The optoelectronic properties of hybrid materials depend on the structure of individual molecules and their alignment relative to the inorganic surface. It is an interesting scientific challenge to predict the optoelectronic properties of HIOS based on studying the early stages of thin film growth and interface formation. The aim of this thesis is to investigate the effect of entropy in surface diffusion of short polyphenyl molecules on an amorphous silicon dioxide, a-SiO2. Second objective is to study the influence of partial fluorination of the organic para-sexiphenyl molecule (p-6P) on self-diffusion on an inorganic zinc oxide (ZnO) surface and on self-assembly and growth on the a-SiO2. For this we employ all-atom molecular dynamics and Langevin dynamics simulations, combined with classical diffusion theory. In respect to the first aim, we quantify entropic contributions to the free energy barrier of surface diffusion for short oligophenyls of varying length and demonstrate that entropy becomes even the dominant part of the free energy for longer molecules. For the second aim, we demonstrate that the increase in the number of fluorinated groups inside of the p-6P decreases the diffusivity in the apolar direction of the ZnO surface but increases the diffusivity in the polar direction. Thirdly, we study the influence of fluorination on nucleation and growth on a-SiO2 with a simulation model that mimics experimental deposition from the vapor. We reproduce the structures with correct room-temperature unit-cell parameters and demonstrate that the increase in the number of fluorinated groups leads to a layer-by-layer growth on the surface. This work can stimulate ideas for future simulations of nucleation and growth of small organic molecules with high tuning potential, on inorganic surfaces.

Im Zuge der voranschreitenden Entwicklung neuartiger polymerer und molekularer Halbleiter besteht ein großer Bedarf an starken p-Dotierungsmitteln, welche in der Lage sind, organische Halbleiter mit hoher Austrittsarbeit bzw. Elektronenaffinität zu oxidieren. Bekannte und etablierte p-Dotierungsmittel wie CN6-CP bringen jedoch für lösungsbasierte Methoden zur Schichtbildung aufgrund ihrer niedrigen Löslichkeit viele Probleme mit sich. Weiterhin stellen Diffusion und Migration von Dotierungsmitteln durch die polymeren Halbleiter ein Problem dar, welches zum einen die Ausbildung von scharfen p-n-Übergängen erschwert, zum anderen die Lebensdauer von organischen elektrischen Bauteilen stark einschränkt. Eine Möglichkeit, diese Hürden zu überwinden, wäre die kovalente Anbindung des Dotierungsmittels an den polymeren Halbleiter, jedoch gibt es bisher kaum Forschungsergebnisse zu diesem Thema. Im ersten Teil dieser Arbeit wurde die Struktur des Dotierungsmittels CN6-CP modifiziert, wodurch dessen Löslichkeit in organischen Lösemitteln signifikant verbessert und gleichzeitig die elektronischen Eigenschaften der Substanz nur geringfügig verändert wurden. Es wurde eine allgemeingültige Methode zur Synthese asymmetrisch substituierter Radialene etabliert und angewendet. Weiterhin wurden erstmals funktionelle Gruppen in die Struktur eines Dotierungsmittels eingebaut, welche eine kovalente Anbindung via Click-Chemie an polymere Halbleiter erlauben. Dies ermöglicht die Immobilisierung des Dotierungsmittels. Durch den Austausch von Gegenionen konnten die für die hergestellten Dotierungsmittel geeigneten Lösemittel gezielt eingestellt werden. Eine vollständige chemische Analyse und Charakterisierung der hergestellten Substanzen wurde durchgeführt. Im zweiten Teil wurde die Synthese des literaturbekannten polymeren Halbleiters PPPC (Polypropargyloxyphenylcarbazol) durchgeführt und optimiert sowie die hergestellten Batches charakterisiert. Über mehrere Modellversuche wurden Methoden entwickelt, um die hergestellten immobilisierbaren Dotierungsmittel an PPPC kovalent zu binden. Eine Reihe von Polymeren mit unterschiedlich hohem Anteil des Dotierungsmittels wurde synthetisiert und diese auf ihre Löslichkeit hin untersucht. Nach der Optimierung einer für alle diese PPPC-Derivate gültigen Methode zur Bildung dünner Polymerfilme und zur photochemischen Vernetzung wurden diese auf ihre elektrische Leitfähigkeit hin untersucht. Nach Oxidation mit NOSbF6 wurde die Stabilität der oxidierten Schichten gegenüber äußeren Einflüssen untersucht und deren elektrische Leitfähigkeit in Abhängigkeit des Anteils des Dotierungsmittels charakterisiert.:I INHALTSVERZEICHNIS ........................................................................... 1 II THEORETISCHER TEIL ......................................................................... 5 1 Motivation und Zielstellung .................................................................... 7 2 Theoretische Grundlagen ................................................................... 10 2.1 Organische Halbleiter ....................................................................... 10 2.1.1 Elektrische Leitfähigkeit ................................................................. 11 2.1.2 Elektrische Leitfähigkeit in Polymeren ........................................... 13 2.1.3 Konjugierte Polymere .................................................................... 17 2.1.4 Synthese von polymeren Halbleitern ............................................. 21 2.2 Dotieren ........................................................................................... 23 2.2.1 Molekulares Dotieren .................................................................... 24 2.2.2 Dotierungsmechanismen .............................................................. 25 2.2.3 Effizienz von Dotierungen.............................................................. 29 2.2.4 Moderne Dotierungsmittel ............................................................. 30 2.3 CN6-CP ............................................................................................ 32 2.3.1 Allgemeines ................................................................................... 32 2.3.2 Mechanismus der Synthese .......................................................... 34 2.3.3 Modifizierung ................................................................................. 35 2.4 Vernetzungsreaktionen ..................................................................... 37 2.4.1 Huisgen-Cycloaddition und CuAAC ............................................... 38 2.4.2 Photochemische Vernetzung ......................................................... 40 3 Analysemethoden ................................................................................ 41 3.1 Gelpermeationschromatographie (GPC) ........................................... 41 3.2 Leitfähigkeitsmessungen .................................................................. 42 3.3 Cyclovoltammetrie ............................................................................. 47 3.4 UV-Vis-Spektroskopie ........................................................................ 50 III RESULTATE UND DISKUSSION ............................................................ 53 1 Synthese von Dotierungsmitteln ........................................................... 55 1.1 CN4-CP-NEt3 .................................................................................... 56 1.1.1 Synthese ........................................................................................ 56 1.1.2 Analytik ........................................................................................... 58 1.2 CN5Et-CP .......................................................................................... 63 1.2.1 Dianionen ....................................................................................... 64 1.2.1.1 Synthese CN5Et-CP-2Na ............................................................. 64 1.2.1.2 Synthese CN5Et-CP-2TBA .......................................................... 66 1.2.1.3 Analytik ....................................................................................... 67 1.2.2 Radikal-Anion CN5Et-CP-K ............................................................ 75 1.2.3 Neutralform .................................................................................... 79 1.3 CN5HexN3-CP ................................................................................... 84 1.3.1 Zweitstufige Synthese von HexN3OAcCN ....................................... 85 1.3.2 Dianionen ...................................................................................... 89 1.3.2.1 Synthese CN5HexN3-CP-2Na ..................................................... 89 1.3.2.2 Synthese CN5HexN3-CP-2TBA ................................................... 90 1.3.2.3 Analytik ....................................................................................... 91 1.3.3 Radikal-Anion CN5HexN3-CP-K ..................................................... 96 1.4 Zusammenfassung ............................................................................ 99 2 Selbstkompensierende Polymere ....................................................... 102 2.1 Synthese von PPPC .........................................................................102 2.1.1 Synthese der Monomere .............................................................. 103 2.1.2 Suzuki-Polykondensation .............................................................. 106 2.1.3 Entschützung ................................................................................ 110 2.1.4 Propargylierung zu PPPC ............................................................. 111 2.2 Modell-Versuche .............................................................................. 124 2.2.1 Huisgen-Cycloaddition .................................................................. 124 2.2.2 CuAAC .......................................................................................... 130 2.3 Modifizierung des Polymers ............................................................. 133 2.4 Oxidation und Dotierung .................................................................. 143 2.4.1 Voruntersuchungen ...................................................................... 143 2.4.2 Optimierung der Polymerfilmpräparation ...................................... 149 2.4.3 Leitfähigkeitsmessungen .............................................................. 160 3 Zusammenfassung ............................................................................. 167 4 Ausblick .............................................................................................. 171 IV EXPERIMENTALTEIL ......................................................................... 173 1 Allgemeine Angaben .......................................................................... 175 1.1 Analytische Methoden ..................................................................... 175 1.2 Chemikalien und Lösungsmittel ....................................................... 178 1.3 Sonstiges ........................................................................................ 180 2 Synthesen .......................................................................................... 182 2.1 Derivate von CN6-CP ...................................................................... 182 2.1.1 Synthese von CN4-CP-NEt3 ......................................................... 182 2.1.2 Synthese von CN5Et-CP-2Na ....................................................... 184 2.1.3 Synthese von CN5Et-CP-2TBA .................................................... 185 2.1.4 Synthese von CN5Et-CP-K .......................................................... 187 2.1.5 Synthese von HexBrOAcCN ......................................................... 188 2.1.6 Synthese von HexN3OAcCN ........................................................ 189 2.1.7 Synthese von CN5HexN3-CP-2Na ............................................... 190 2.1.8 Synthese von CN5HexN3-CP-2TBA ............................................. 191 2.1.9 Synthese von CN5HexN3-CP-K .................................................... 192 2.2 Polymersynthese ............................................................................. 193 2.2.1 Synthese von THP-DBP ............................................................... 193 2.2.2 Synthese von EH-DBC ................................................................. 194 2.2.3 Synthese von Bor-EH-C ............................................................... 195 2.2.4 Synthese von Pd/PtBu3 ............................................................... 196 2.2.5 Suzuki-Polykondensation zu P-THP-PC ....................................... 197 2.2.6 THP-Entschützung zu P-OH-PC ................................................... 198 2.2.7 Propargylierung zu PPPC ............................................................. 199 2.3 1,3-Dipolare Cycloadditionen .......................................................... 200 2.3.1 Synthese 1,3,5-Tris(azidomethyl)benzol (TAMB) .......................... 200 2.3.2 Thermische Huisgen-Cycloaddition .............................................. 201 2.3.3 Kupfer-katalysierte Azid-Alkin-Cycloaddition ................................ 202 2.3.4 Filmpräparation ............................................................................ 203 V ABKÜRZUNGSVERZEICHNIS ............................................................. 204 VI LITERATURVERZEICHNIS ................................................................. 207 VII ABBILDUNGSVERZEICHNIS ..............................................................222 VIII TABELLENVERZEICHNIS ................................................................. 234 IX PUBLIKATIONSVERZEICHNIS ............................................................ 236 X ANHANG ............................................................................................. 237

Ziel dieser Arbeit war es, den grundlegenden Mechanismus des Ladungstransfers bei molekularer Dotierung an organisch-organischen Grenzflächen besser zu verstehen. Es wurde eine Vielfalt modernster spektroskopischer Methoden eingesetzt, um die elektronische Struktur und neue dotierungsinduzierte CT-Übergänge zu ergründen. Dazu gehören UPS und XPS für Valenzsignaturen und Kernniveauzustände. Absorptionsspektroskopie im UV-vis-NIR und Röntgenbereich wurde zur Bestimmung der Übergangsenergien eingesetzt. Schwingungsspektroskopie wurde eingesetzt, um den CT-Grad in DA-Systemen für gestapelte und gemischte Heteroübergänge zu quantifizieren. Strom-Spannungs-Messungen wurden zur Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit und Rasterkraftmikroskopie zur Charakterisierung der Oberflächenmorphologie eingesetzt. Die in dieser Arbeit behandelten Themen sind: (1) Planare Heteroübergänge aus DIP und F6TCNNQ wurden hergestellt. Sie wurden im Hinblick auf CT-Komplexbildung, Grenzflächendotierung und Exzitonenbindungsenergien an der D|A-Grenzfläche untersucht. (2) DBTTF wurde mit TCNNQ und F6TCNNQ in Lösung und in dünnen Filmen gemischt. Daraus wurde der Zusammenhang zwischen Dotierungsmechanismen, CTC- und IPA-Bildung, mit dem Aggregatzustand hergeleitet. (3.1) Rubren-Einkristalle wurden mit Mo(tfd)3 und CoCp2 p- und n-dotiert. Nach der Dotierung verschiebt sich die Banddispersion entsprechend, wohingegen die effektive Masse der Löcher konstant bleibt. (3.2) DBTTF-Einkristalle wurden mit TCNNQ, F6TCNNQ und Mo(tfd)3 dotiert. Aus den Änderungen der elektronischen Struktur wurden der CT über die D|A-Grenzfläche sowie die Dichte der Oberflächenzustände quantifiziert. (4) Von drei DA-Systemen mit unterschiedlicher GS-Wechselwirkungsstärke, DIP:C60, DIP:PDIR-CN2 und DIP|F6TCNNQ, wurden die Grenzflächenexzitonen charakterisiert. Ein Vergleich verschiedener Modelle, die die optische CTC Absorption aus dem DA-Energieniveauoffset beschreiben und abschätzen können, rundet die Ergebnisse ab. / The aim of this thesis was to enhance the understanding of the charge transfer mechanism during molecular doping at organic-organic interfaces. A wide range of state-of-the-art spectroscopic methods was employed to unravel the electronic structure and new CT transitions resulting from doping. This includes UPS and XPS for valence signatures and core level states. Absorption spectroscopies in the UV-vis-NIR and X-ray regions were used to determine transition energies. Vibrational spectroscopy was employed to quantify the CT degree in DA systems for stacked and mixed heterojunctions. Current-voltage measurements were used for the determination of electrical conductivities and scanning force microscopy for surface morphology characterization. The topics covered in this thesis are: (1) Planar heterojunctions of DIP and F6TCNNQ were fabricated. They were studied with regard to CT complex formation, interface doping and exciton binding energies at the D|A interface. (2) DBTTF was blended with TCNNQ and F6TCNNQ in solution and in thin films. From this, the connection of the two doping mechanisms, CTC and IPA formation, to the state of matter was derived. (3.1) Rubrene single crystals were p- and n-doped with Mo(tfd)3 and CoCp2. After doping, the band dispersion shifts accordingly, while the hole effective mass stays constant. (3.2) DBTTF single crystals were doped with TCNNQ, F6TCNNQ and Mo(tfd)3. From changes in the electronic structure, the CT across the D|A interface as well as the density of surface states were quantified. (4) From three DA systems with varying GS interaction strength, DIP:C60, DIP:PDIR–CN2 and DIP|F6TCNNQ, the interfacial excitons were characterized. A comparison of different models, which describe and allow to estimate the optical absorption in CTCs from the DA energy level offset, concludes the results.

Local thermal management has important implications regarding comfort, energy consumption, and electronic device performance/lifetime. While organic thermoelectrics have emerged as promising materials for flexible thermoelectric energy harvesting devices, their potential as Peltier cooling element has been largely overlooked. Here, micro-thermoelectric coolers based on doped small molecule thin-films with a fast response time (around 25 µs) which is among the fastest micro-thermoelectric coolers reported are presented. This experimental cooling performance is supported by simulation using the finite-element method for thermal transport. The results show that organic thermoelectrics offer great potential for flexible and wearable micro-thermoelectric cooling applications.

Organische Halbleiterbauelemente sind eine vielversprechende Technologie, die das Spektrum der optoelektronischen Halbleiterbauelemente erweitert und etablierte Technologien basierend auf anorganischen Halbleitermaterialien ersetzen kann. Für Display- und Beleuchtungsanwendungen werden sie z. B. als organische Leuchtdioden oder Transistoren verwendet. Eine entscheidende Eigenschaft organischer Halbleitermaterialien ist, dass die Ladungstransporteigenschaften stark von der Temperatur im Bauelement beeinflusst werden. Insbesondere nimmt die elektrische Leitfähigkeit mit der Temperatur zu, so dass Selbsterhitzungseffekte, einen großen Einfluss auf die Leistung der Bauelemente haben. Mit steigender Temperatur nimmt die elektrische Leitfähigkeit zu, was wiederum zu größeren Strömen führt. Dies führt jedoch zu noch höheren Temperaturen aufgrund von Joulescher Wärme oder Rekombinationswärme. Eine positive Rückkopplung liegt vor. Im schlimmsten Fall führt dieses Verhalten zum thermischen Durchgehen und zur Zerstörung des Bauteils. Aber auch ohne thermisches Durchgehen führen Selbsterhitzungseffekte zu interessanten nichtlinearen Phänomenen in organischen Bauelementen, wie z. B. die S-förmige Beziehung zwischen Strom und Spannung. In Regionen mit negativem differentiellen Widerstand führt eine Verringerung der Spannung über dem Bauelement zu einem Anstieg des Stroms durch das Bauelement. Diese Arbeit soll einen Beitrag zur mathematischen Modellierung, Analysis und numerischen Simulation von organischen Bauteilen leisten. Insbesondere wird das komplizierte Zusammenspiel zwischen dem Fluss von Ladungsträgern (Elektronen und Löchern) und Wärme diskutiert. Die zugrundeliegenden Modellgleichungen sind Thermistor- und Energie-Drift-Diffusion-Systeme. Die numerische Diskretisierung mit robusten hybriden Finite-Elemente-/Finite-Volumen-Methoden und Pfadverfolgungstechniken zur Erfassung der in Experimenten beobachteten S-förmigen Strom-Spannungs-Charakteristiken wird vorgestellt. / Organic semiconductor devices are a promising technology to extend the range of optoelectronic semiconductor devices and to some extent replace established technologies based on inorganic semiconductor materials. For display and lighting applications, they are used as organic light-emitting diodes (OLEDs) or transistors. One crucial property of organic semiconductor materials is that charge-transport properties are heavily influenced by the temperature in the device. In particular, the electrical conductivity increases with temperature, such that self-heating effects caused by the high electric fields and strong recombination have a potent impact on the performance of devices. With increasing temperature, the electrical conductivity rises, which in turn leads to larger currents. This, however, results in even higher temperatures due to Joule or recombination heat, leading to a feedback loop. In the worst case, this loop leads to thermal runaway and the complete destruction of the device. However, even without thermal runaway, self-heating effects give rise to interesting nonlinear phenomena in organic devices, like the S-shaped relation between current and voltage resulting in regions where a decrease in voltage across the device results in an increase in current through it, commonly denoted as regions of negative differential resistance. This thesis aims to contribute to the mathematical modeling, analysis, and numerical simulation of organic semiconductor devices. In particular, the complicated interplay between the flow of charge carriers (electrons and holes) and heat is discussed. The underlying model equations are of thermistor and energy-drift-diffusion type. Moreover, the numerical approximation using robust hybrid finite-element/finite-volume methods and path-following techniques for capturing the S-shaped current-voltage characteristics observed in experiments are discussed.

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden Schottky-Dioden mittels Rolle-zu-Rolle-Verfahren hergestellt und charakterisiert. Die Dioden bestanden dabei aus einer Kathode (Aluminium oder Kupfer), die durch Sputtern aufgebracht wurde, einer Halbleiterschicht aus Polytriphenylaminen (PTPA3), die mittels Tiefdruck aufgebracht wurde und einer im Flexodruck hergestellten Anode (PEDOT:PSS, Pani oder Carbon Black). Aus elektrischer Sicht wiesen dabei Dioden mit Kupfer und Carbon Black die besten Eigenschaften auf. Mit Hilfe dieser Elektrodenmaterialien und bei Halbleiterschichtdicken von ca. 200 nm konnten Grenzfrequenzen der Dioden von über 1 MHz realisiert werden. Weiterhin wiesen diese Dioden eine gute Langzeitstabilität sowie eine gute Stabilität gegenüber UV-Licht, Feuchtigkeit und Temperatur auf.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Metall-Halbleiter-Kontakt 2.1 Idealer Metall-Halbleiter-Kontakt 2.2 Metall-Halbleiter-Kontakt unter Spannung 2.3 Realer Metall-Halbleiter-Kontakt 2.3.1 Metall-Halbleiter-Kontakte ohne Grenzflächenzustände innerhalb der Bandlücke 2.3.2 Metall-Halbleiter-Kontakt mit Grenzflächenzuständen 2.4 Grenzflächen zwischen Metallen und organischen Materialien 2.5 Transportmechanismen / -modelle 2.5.1 Ladungstransport in organischen Halbleitern 2.5.2 Thermionische Emission 2.5.3 Fowler-Nordheim-Tunneln 2.5.4 Raumladungsbegrenzte Ströme 2.6 Poole-Frenkel Effekt 3 Stabilität organischer Materialien 3.1 Einfluss von Sauerstoff 3.2 Einfluss von Wasser 3.3 Einfluss von chemischen Reaktionen 3.4 Einfluss von elektrischem Stress 3.5 Einfluss von Licht 3.6 Einfluss von Struktur- und Morphologieänderungen 3.7 Einfluss von kombinierten Effekten 3.8 Einfluss von Barriereschichten 4 Schottky-Dioden 4.1 Allgemeiner Aufbau 4.2 Stand der Technik 4.3 Anforderungen an Materialien für Schottky-Dioden 4.3.1 Kathode 4.3.2 Halbleiter 4.3.3 Anode 4.4 Gleichrichter 4.5 Logische Schaltungen mit Dioden 5 Rolle-zu-Rolle-Verfahren / Druckverfahren 5.1 Übersicht Druckverfahren / Beschichtungsverfahren 5.2 Bewertung der Verfahren für die Herstellung von Schottky-Dioden 6 Versuchsdurchführung 6.1 Druckversuche 6.1.1 Genutzte Druckmaschinen 6.1.2 Verwendete Materialien 6.2 Messverfahren 6.2.1 Morphologische Charakterisierung 6.2.2 Elektrische Charakterisierung 6.2.3 Strom-Spannungs-Charakterisitik 6.2.4 Kapazitätscharakteristik 6.2.5 Elektrische Eigenschaften der Anodenmaterialien 7 Ergebnisse der Druckversuche 7.1 Einfluss der Lösungsmittel 7.2 Einfluss der Druckgeschwindigkeit 7.3 Druck der Anode 8 Elektrische Charakterisierung der Dioden 8.1 Vergleich der Elektrodenmaterialien 8.2 Strom-Spannungs-Kennlinie in Sperrrichtung 8.3 Gleichmäßigkeit der Strom-Spannungs-Charakteristik 8.4 Einfluss des Lösungsmittelgemischs 8.5 Einfluss der Trocknungstemperatur 8.6 Kapazitätscharakteristika 9 Stabilität 9.1 Langzeitstabilität 9.2 Hysterese 9.3 Einfluss der Temperatur 9.4 Einfluss von Feuchtigkeit 9.5 Einfluss von Licht 9.6 Einfluss von elektrischem Stress 10 Anwendungen 10.1 Gleichrichter 10.2 Logische Schaltungen mit Dioden 11 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Formel- und Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Danksagung Lebenslauf Veröffentlichungen Eigenständigkeitserklärung / Aim of this work was to demonstrate that Schottky-Diodes can be fabricated by means of Roll-to-Roll-Methods and to characterize these diodes. The diodes consists of a sputtered cathode (Aluminum or Copper), a gravure printed semiconducting layer of Polytriphenylamine (PTPA3) and a flexo printed anode (PEDOT:PSS, Pani, Carbon Black). Best electrical characteristics were obtained with diodes consisting Copper and Carbon Black as electrodes. With a thickness of the semiconducting layer of ~200 nm diodes with a cut-off frequency above 1 MHz could be demonstrated. These diodes showed also a good stability when exposed to UV-light, moisture and temperature.:Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung 2 Metall-Halbleiter-Kontakt 2.1 Idealer Metall-Halbleiter-Kontakt 2.2 Metall-Halbleiter-Kontakt unter Spannung 2.3 Realer Metall-Halbleiter-Kontakt 2.3.1 Metall-Halbleiter-Kontakte ohne Grenzflächenzustände innerhalb der Bandlücke 2.3.2 Metall-Halbleiter-Kontakt mit Grenzflächenzuständen 2.4 Grenzflächen zwischen Metallen und organischen Materialien 2.5 Transportmechanismen / -modelle 2.5.1 Ladungstransport in organischen Halbleitern 2.5.2 Thermionische Emission 2.5.3 Fowler-Nordheim-Tunneln 2.5.4 Raumladungsbegrenzte Ströme 2.6 Poole-Frenkel Effekt 3 Stabilität organischer Materialien 3.1 Einfluss von Sauerstoff 3.2 Einfluss von Wasser 3.3 Einfluss von chemischen Reaktionen 3.4 Einfluss von elektrischem Stress 3.5 Einfluss von Licht 3.6 Einfluss von Struktur- und Morphologieänderungen 3.7 Einfluss von kombinierten Effekten 3.8 Einfluss von Barriereschichten 4 Schottky-Dioden 4.1 Allgemeiner Aufbau 4.2 Stand der Technik 4.3 Anforderungen an Materialien für Schottky-Dioden 4.3.1 Kathode 4.3.2 Halbleiter 4.3.3 Anode 4.4 Gleichrichter 4.5 Logische Schaltungen mit Dioden 5 Rolle-zu-Rolle-Verfahren / Druckverfahren 5.1 Übersicht Druckverfahren / Beschichtungsverfahren 5.2 Bewertung der Verfahren für die Herstellung von Schottky-Dioden 6 Versuchsdurchführung 6.1 Druckversuche 6.1.1 Genutzte Druckmaschinen 6.1.2 Verwendete Materialien 6.2 Messverfahren 6.2.1 Morphologische Charakterisierung 6.2.2 Elektrische Charakterisierung 6.2.3 Strom-Spannungs-Charakterisitik 6.2.4 Kapazitätscharakteristik 6.2.5 Elektrische Eigenschaften der Anodenmaterialien 7 Ergebnisse der Druckversuche 7.1 Einfluss der Lösungsmittel 7.2 Einfluss der Druckgeschwindigkeit 7.3 Druck der Anode 8 Elektrische Charakterisierung der Dioden 8.1 Vergleich der Elektrodenmaterialien 8.2 Strom-Spannungs-Kennlinie in Sperrrichtung 8.3 Gleichmäßigkeit der Strom-Spannungs-Charakteristik 8.4 Einfluss des Lösungsmittelgemischs 8.5 Einfluss der Trocknungstemperatur 8.6 Kapazitätscharakteristika 9 Stabilität 9.1 Langzeitstabilität 9.2 Hysterese 9.3 Einfluss der Temperatur 9.4 Einfluss von Feuchtigkeit 9.5 Einfluss von Licht 9.6 Einfluss von elektrischem Stress 10 Anwendungen 10.1 Gleichrichter 10.2 Logische Schaltungen mit Dioden 11 Zusammenfassung Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Formel- und Symbolverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Danksagung Lebenslauf Veröffentlichungen Eigenständigkeitserklärung

A high performance vertical organic transistor based on the organic semiconductor C60 is developed in this work. The sandwich geometry of this transistor, well known from organic light-emitting diodes or organic solar cells, allows for a short transfer length of charge carriers in vertical direction. In comparison to conventional organic field-effect transistors with lateral current flow, much smaller channel lengths are reached, even if low resolution and low-cost shadow masks are used. As a result, the transistor operates at low voltages (1 V), drives current densities in the range of 10 A/cm², and enables a switching speed in the MHz range. The operation mechanism is studied in detail. It is demonstrated that the transistor can be described by a nano-porous permeable base electrode insulated by a thin native aluminum oxide film on its surface. Thus, the transistor has to be understood as two metal-oxide-semiconductor diodes, sharing a common electrode, the base. Upon applying a bias to the base, charges accumulate in front of the oxide, similar to the channel formation in a field-effect transistor. Due to the increased conductivity in this region, charges are efficiently transported toward and through the pinholes of the base electrode, realizing a high charge carrier transmission. Thus, even a low concentration of openings in the base electrode is sufficient to ensure large transmission currents. The device concept turns out to be ideal for applications where high transconductance and high operation frequency are needed, e.g. in analog amplifier circuits. The full potential of the transistor is obtained if the active area is structured by an insulating layer in order to perfectly align the three electrodes. Besides that, molecular doping near the charge injecting contact is essential to minimize the contact resistance. Due to the high power density in the vertical C60 transistor, Joule self-heating occurs, which is discussed in this work in the context of organic semiconductors. The large activation energies of the electrical conductivity observed cause the presence of S-shaped current-voltage characteristics and result in thermal switching as well as negative differential resistances, as demonstrated for several two-terminal devices. A detailed understanding of these processes is important to determine restrictions and proceed with further optimizations. / In dieser Arbeit wird ein vertikaler organischer Transistor mit hoher Leistungsfähigkeit vorgestellt, der auf dem organischen Halbleiter C60 basiert. Die von organischen Leuchtdioden und organischen Solarzellen bekannte \'Sandwich’-Geometrie wird verwendet, so dass es möglich ist, für die vertikale Stromrichtung kurze Transferlängen der Ladungsträger zu erreichen. Im Vergleich zum konventionellen organischen Feldeffekttransistor mit lateralem Stromfluss werden dadurch viel kleinere Kanallängen erreicht, selbst wenn preisgünstige Schattenmasken mit geringer Auflösung für die thermische Verdampfung im Vakuum genutzt werden. Daher kann der Transistor bei einer Betriebsspannung von 1 V Stromdichten im Bereich von 10 A/cm² und Schaltgeschwindigkeiten im MHz-Bereich erreichen. Obwohl diese Technologie vielversprechend ist, fehlt bislang ein umfassendes Verständnis des Funktionsmechanismus. Hier wird gezeigt, dass der Transistor eine nanoporöse Basiselektrode hat, die durch ein natives Oxid auf ihrer Oberfläche elektrisch isoliert ist. Daher kann das Bauelement als zwei Metall-Oxid-Halbleiter-Dioden verstanden werden, die sich eine gemeinsame Elektrode, die Basis, teilen. Unter Spannung akkumulieren Ladungsträger vor dem Oxid, ähnlich zur Ausbildung eines Ladungsträgerkanals im Feldeffekttransistor. Aufgrund der erhöhten Leitfähigkeit in dieser Region werden Ladungsträger effizient zu und durch die Öffnungen der Basis transportiert, was zu hohen Ladungsträgertransmissionen führt. Selbst bei einer geringen Konzentration von Löchern in der Basiselektrode werden so hohe Transmissionsströme erzielt. Das Bauelementkonzept ist ideal für Anwendungen, in denen eine hohe Transkonduktanz und eine hohe Schaltgeschwindigkeit erreicht werden soll, z.B. in analogen Schaltkreisen, die kleine Signale verarbeiten. Das volle Potential des Transistors offenbart sich jedoch, wenn die aktive Fläche durch eine Isolatorschicht strukturiert wird, um den Überlapp der drei Elektroden zu optimieren, so dass Leckströme minimiert werden. Daneben ist die Dotierung der Molekülschichten am Emitter essentiell, um Kontaktwiderstände zu vermeiden. Aufgrund der hohen Leistungsdichten in den vertikalen C60-Transistoren kommt es zur Selbsterwärmung, die in dieser Arbeit im Kontext organischen Halbleiter diskutiert wird. Die große Aktivierungsenergie der Leitfähigkeit führt zu S-förmigen Strom-Spannungs-Kennlinien und hat thermisches Umschalten sowie negative differentielle Widerstände zur Folge, was für verschiedene Bauelemente demonstriert wird. Ein detailliertes Verständnis dieser Prozesse ist wichtig, um Beschränkungen für Anwendungen zu erkennen und um entsprechende Verbesserungen einzuführen.

Funktionale organische Moleküle bergen ein hohes Potential für den Einsatz in zukunftsprägenden Technologien wie organischen Leuchtdioden (OLED), Solarzellen, Transistoren und Bio-Sensoren. Eines der Herstellungsverfahren beruht auf der Gasphasenabscheidung der Moleküle, die auf dem Substrat mittels Selbstorganisation zu dünnen Schichten wachsen. Auf Grund der komplexen Wechselwirkungen und des Einflusses der Schichtmorphologie auf die Funktionalität der dünnen Schichten stellt der Wachstumsprozess sowohl für die anwendungsorientierte als auch für die Grundlagenforschung eine hochinteressante und wichtige wissenschaftliche Herausforderung dar, mit der sich die vorliegende Arbeit auseinandersetzt. Die experimentellen Resultate und Konzepte, die in dieser Arbeit vorgestellt werden, leisten neue Beiträge für das Verständnis von organischem Wachstum. Der demonstrierte Einfluss von chemischer Modifikation auf verschiedene Aspekte des Strukturwachstums, wie z.B. auf die Filmrauigkeit, Kristallphasenreinheit und molekulare Diffusivität, zeigt zudem das hohe Potential dieser Methode zur Steuerung des organischen Wachstums. Aus den genannten Gründen kann diese Arbeit neue Impulse für die Erforschung und spätere Anwendung von funktionalen organischen Dünnschichtsystemen setzen. / Functional organic molecules are promising for the application in future relevant technologies such as organic light emitting diodes (OLEDs), solar cells, transistors and bio-sensors. One of the processing methods to fabricate organic devices is organic molecular beam deposition. In this process, the complexly interacting molecules grow via self-assembly as thin films on a substrate. Due to the close structure-property relationship, the growth process constitutes a highly interesting and important scientific challenge for both application oriented as well as fundamental research and is the topic of the present thesis. The experimental results and conceptual methods presented in this thesis contribute new stimuli to the understanding of the molecular self-assembly. The demonstrated influence of chemical tuning on various facets of structure formation, such as film roughness, crystal phase purity and molecular diffusivities, uncovers the strong potential of this approach for steering organic growth. Therefore, the present work has implications for future research and application of functional organic thin films.

Die Copolymerisation wurde mit dem Ziel untersucht, polymere Materialien zu synthetisieren, die die individuellen Eigenschaften der entsprechenden Homopolymere kombinieren. Die Dissertation konzentrierte sich auf die Elektrosynthese und Charakterisierung von leitfähigen Copolymerfilmen auf Basis von Pyrrol- und Thiophenderivaten. Mit einer Reihe von elektrochemischen, spektroskopischen und mikroskopischen Untersuchungsmethoden (Zyklovoltammetrie, elektrochemische Impedanz-spektroskopie, photoelektrochemische Spektroskopie, Elektrospray- Ionisations-Massenspektroskopie, Festkörper- NMR, Raman-Spektroskopie, Thermoanalyse und Rasterelektronenmikroskopie) wurde die Bildung echter Copolymere von Pyrrol mit Bithiophen und von 3-Methylthiophen mit Ethyl-3-thiophenazetat nachgewiesen. Die analytischen Ergebnisse bestätigen, dass Random- Copolymere und keine Block-Copolymere gebildet wurden. Die elektronischen und strukturellen Eigenschaften der Copolymerfilme liegen zwischen denen der jeweiligen Homopolymere und sind abhängig von der Copolymerzusammensetzung. Insbesondere die Halbleiterparameter der Copolymerfilme von Pyrrol mit Bithiophen wie Flachband-Potential, Bandlücken-Energie und Ladungsträgerdichte verschieben sich von denen des reinen Polypyrrols bis zum Polybithiophen, wenn der Gehalt an Bithiophen im Copolymerfilm vergrößert wird. Diese Parameter sind einstellbar durch Variation des Monomerverhältnisses oder des Polymerisationspotentials. Außerdem konnten die strukturellen und elektronischen Eigenschaften des funktionalisierten Polymers Ethyl-3-thiophenazetat durch Copolymerisation mit 3-Methylthiophen deutlich verbessert werden. Die synthetisierten leitfähigen Copolymerfilme können in der Sensorik Anwendung finden. / The copolymerization has been studied as a new strategy to synthesize polymer materials by combining interesting properties of the respective homopolymers. In this dissertation, the work focused on the electrosynthesis and characterization of conducting copolymer films based on pyrrole and thiophene derivatives. A variety of electrochemical, spectroscopic and microscopic techniques such as cyclic voltammetry, electrochemical impedance and photoelectrochemical spectroscopy, electrospray ionization mass spectroscopy, solid state NMR and Raman spectroscopy, thermal analysis and scanning electron microscopy supported the formation of true copolymers of pyrrole with bithiophene and 3-methylthiophene with ethyl-3-thiophene acetate. The analytical results exhibited that random copolymers were produced rather than block copolymers. The electronic and structural characteristics of the copolymer films were intermediate between those of the respective homopolymers and they were dependent on the copolymer composition. In particular, the semiconducting parameters of the copolymer films of pyrrole and bithiophene such as flat band potential, band gap energy and charge carrier density shifted from those of polypyrrole to polybithiophene with increasing bithiophene content of the copolymer films. Such parameters were controlled precisely by alternating either the monomer ratio or the polymerization potential. In addition, the morphological and electronic properties of the functionalized polymers of ethyl-3-thiophene acetate were increased significantly by copolymerization with 3-methylthiophene. The obtained conducting copolymer films were able to be applied in the field of sensoric.