Techn. University, Diss., 2005--Dresden.

This thesis focused on the influence of the underlying crystal structure and hence, of the mutual molecular orientation, on the excited states in ordered molecular aggregates. For this purpose, two model systems have been investigated. In the prototypical donor-acceptor complex pentacene-perfluoropentacene (PEN-PFP) the optical accessibility of the charge transfer state and the possibility to fabricate highly defined interfaces by means of single crystal templates enabled a deep understanding of the spatial anisotropy of the charge transfer state formation. Transferring the obtained insights to the design of prototypical donor-acceptor devices, the importance of interface control to minimize the occurrence of charge transfer traps and thereby, to improve the device performance, could be demonstrated. The use of zinc phthalocyanine (ZnPc) allowed for the examination of the influence of molecular packing on the excited electronic states without a change in molecular species by virtue of its inherent polymorphism. Combining structural investigations, optical absorption and emission spectroscopy, as well as Franck-Condon modeling of emission spectra revealed the nature of the optical excited state emission in relation to the structural \(\alpha \) and \(\beta \) phase over a wide temperature range from 4 K to 300 K. As a results, the phase transition kinetics of the first order \(\alpha \rightarrow \beta\) phase transition were characterized in depth and applied to the fabrication of prototypical dual luminescent OLEDs. / Ziel dieser Arbeit war es, den Einfluss der zugrunde liegenden Kristallstruktur und der damit einhergehenden molekularen Anordnung auf die angeregten Zustände in molekularen Aggregaten zu untersuchen. Zu diesem Zweck wurden zwei Modellsysteme ausgewählt. Der optisch anregbare und detektierbare Ladungstransferzustand im Donor-Akzeptor Komplex Pentacen-Perfluoropentacen (PEN-PFP) und die Möglichkeit, hoch definierte kristalline Grenzflächen herzustellen, ermöglichten detaillierte Einblicke in die räumlich anisotrope Ausbildung des Ladungstransferzustands. Durch Ausnutzen der gewonnenen Erkenntnisse beim Design von Bauteilen auf Basis dieser Donor-Akzeptor Grenzflächen konnte gezeigt werden, wie wichtig die morphologische Kontrolle ist, um das Auftreten von Fallenzuständen in Zusammenhang mit solchen Ladungstransferprozessen zu minimieren und damit die elektronischen Bauteileigenschaften zu verbessern. Für Zinkphthalocyanin (ZnPc) und dem ihm eigenen Polymorphismus konnte der Einfluss der molekularen Packung auf angeregte Zustände untersucht werden, ohne die chemische Struktur zu verändern. Durch die Kombination von Strukturuntersuchungen, optischer Absorptions- und Emissionsspektroskopie und Franck-Condon Modellierungen wurde der Ursprung der Emission der angeregten Zustände in der strukturellen \(\alpha \) und \(\beta \)Phase über einen großen Temperaturbereich von 4 K bis 300 K offen gelegt. Mithilfe der erlangten Einsichten wurde die Kinetik des \(\alpha \rightarrow \beta\) Phasenübergangs erster Ordnung charakterisiert und zur Herstellung von dual-lumineszenten OLEDs verwendet.

In summary, it can be stated that the herein studied set of acceptor-substituted squaraine dyes can be seen as potent candidates for OTFTs. Furthermore, their transistor performance can be easily tuned to obtain hole mobilities up to 0.45 cm2/Vs from solution and 1.3 cm2/Vs from sublimation by choosing adequate deposition techniques. In the end, a probable structural model derived from studies of the thin-film morphology by methods such as optical spectroscopy, AFM and X-ray even facilitated the clarification of the observed charge transport behavior. / Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die in dieser Arbeit untersuchten akzeptorsubstituierten Squarainfarbstoffe durchaus als leistungsfähige Kandidaten für den Einsatz in OTFT-Bauteilen angesehen werden können. Ihre Transistorleistung lässt sich durch geeignete Wahl der Abscheidungsmethode dahingehend einstellen, als dass sich Lochmobilitäten von bis zu 0.45 cm2/Vs mittels Lösungsprozessierung und von bis zu 1.3 cm2/Vs mittels Sublimation realisieren lassen. Schließlich ermöglichte die Untersuchung der Dünnfilmmorphologie mit Methoden wie der optischen Spektroskopie, Rasterkraftmikroskopie und Röntgenbeugung die Schlussfolgerung auf ein mutmaßliches Strukturmodell.

This work presents excited state investigations on several systems with respect to experimental spectroscopic work. The majority of projects covers the temporal evolution of excitations in thin films of organic semiconductor materials. In the first chapters, thinfilm and interface systems are build from diindeno[1,2,3-cd:1’,2’,3’-lm]perylene (DIP) and N,N’-bis-(2-ethylhexyl)-dicyanoperylene-3,4:9,10-bis(dicarboximide) (PDIR-CN2) layers, in the third chapter bulk systems consist of 4,4’,4”-tris[(3-methylphenyl)phenylamino] triphenylamine (m-MTDATA), 4,7-diphenyl-1,10-phenanthroline (BPhen) and tris-(2,4,6-trimethyl-3-(pyridin-3-yl)phenyl)borane (3TPYMB). These were investigated by aggregate-based calculations. Careful selection of methods and incorporation of geometrical relaxation and environmental effects allows for a precise energetical assignment of excitations. The biggest issue was a proper description of charge-transfer excitations, which was resolved by the application of ionization potential tuning on aggregates. Subsequent characterization of excitations and their interplay condenses the picture. Therefore, we could assign important features of the experimental spectroscopic data and explain differences between systems. The last chapter in this work covers the analysis of single molecule spectroscopy on methylbismut. This poses different challenges for computations, such as multi-reference character of low-lying excitations and an intrinsic need for a relativistic description. We resolved this by combining complete active space self-consistent field based methods with scalarrelativistic density-functional theory. Thus we were able to confidently assign the spectroscopic features and explain underlying processes. / Im ersten Teil dieser Arbeit (Referenz [4]) wurden Anregungen in DIP und PDIR-CN2 Aggregaten berechnet und charakterisiert, um Signale experimenteller TR-SHG Spek- tren zuzuweisen und zugrundeliegende Prozesse aufzuklären. Der Fokus des ersten Ka- pitels liegt auf der zeitlichen Entwicklung der Populationen der angeregten Zusände in den individuellen Materialien. Diese Anregungen haben Frenkel Charakter und konn- ten deswegen mit standard RS-Funktionalen beschrieben werden. Die Umgebung wur- de durch atomare Punktladungen modelliert. Absoptionsspektren konnten zugewiesen werden, allerdings mit einer systematischen Abweichung in den Anregungsenergien. Diese Zuweisung wurde diskutiert mit Blick auf Größe der untersuchten Aggregate, Relaxationseffekte und den Funktional-inherenten Fehler. Die Signale in den TR-SHG Spektren wurden hauptächlich auf Aggregateffekte zurückgeführt. Dazu gehören (De- )Lokalisierungsprozesse, Population von tiefliegenden Fallenzuständen und Relaxation zum Grundzustand. Zusätzlich konnten wir Vibrationsprogressionen durch Schwingun- gen der Monomere erklären ...

Für die Effektivität organischer Halbleiter spielen die Grenzflächen zwischen den konjugierten, organischen Molekülen und den Metallelektroden eine entscheidende Rolle. Inhalt dieser Arbeit ist die Untersuchung dieser Grenzflächen bezüglich ihrer strukturellen und elektronischen Eigenschaften. Besonders interessant sind dabei molekulare Systeme, welche Selbstaggregation aufweisen. Ein kritischer Parameter ist dabei das Verhältnis der inter-molekularen zu den Molekül-Metall Wechselwirkungsstärken. Um verschiedene Aspekte der molekularen Selbstaggregation zu beleuchten, wurden vier verschiedene Systeme untersucht. (i) Das defekt-gesteuerte Wachstum selbstaggregierender Molekülschichten wird betrachtet. Es wird gezeigt, dass durch Alkylierung der Moleküle das Wechselwirkungsverhältnis deutlich verändert werden kann. (ii) Weiterhin wird anhand der Orientierungsänderungen der Moleküle der mit zunehmender Schichtdicke schnell abnehmende Einfluss des Substrats nachgewiesen. (iii) Es wird gezeigt, dass durch Fluorination von Molekülen starke chemische Wechselwirkungen mit dem Substrat erzeugt werden können. (iv) Ein neuartiger Ansatz zur Entkopplung von Molekülen von dem Metall wird vorgestellt. Dies geschieht mit Hilfe einer molekularen Vorbeschichtung. Aus experimentellen und theoretischen Daten geht hervor, dass auf diese Art die Wechselwirkung zwischen Molekül und Metall verhindert wird, bei gleichzeitigem Erhalt der metallischen Eigenschaften des Substrats. Weiterhin wirkt die Vorbeschichtung auch als strukturelle Maske. Zur Erkundung der verschiedenen Eigenschaften der molekularen Systeme kamen komplementäre experimentelle Techniken zum Einsatz. Die strukturellen Eigenschaften wurden dabei mit Hilfe von Rastersondenmikroskopie (STM und AFM), Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) und Röntgen-Nahkanten-Absorptions-Spektroskopie (NEXAFS) ermittelt. Eine Bestimmung der elektronischen Eigenschaften erfolgte mittels Photoelektronenspektroskopie (UPS und XPS). / The interfaces between conjugated organic molecules and metal electrodes play an important role for the performance of organic devices. In this thesis the structural and electronic properties at these interfaces are investigated. In particular, the focus of this work is given to molecular systems which undergo self-assembly. The critical parameter which drives the ordering behavior at the interface is the balance between the inter-molecular and molecule-metal interaction strength. To highlight different aspects of the self-assembled growth of molecules, four different molecular systems were investigated. (i) The defect mediated growth of directed self-assembled molecular layers is explored. It will be shown, that addition of short alkyl chains to molecules leads to significant changes in the interaction balance. (ii) The fast attenuation of the substrate''s influence on the molecular ordering with increasing thickness of the molecular layer will be evidenced by the observation of changes in the molecular orientation. (iii) The initiation of strong chemical interactions with the metal substrate by fluorination of molecules is demonstrated by conducting annealing time dependent experiments. (iv) A novel attempt to decouple molecules from the metal substrate is presented. This is achieved by the insertion of a molecular template layer. Experimental and theoretical results prove the successful prevention of molecule-metal interactions, while at the same time metallic properties of the substrate are conserved. Furthermore, the inserted layer acts as a structural template. To explore the properties of the molecular systems, several complementary experimental techniques were used. Structural properties were investigated by scanning probe microscopy (STM and AFM), low energy electron diffraction (LEED) and near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS). The electronic properties were discovered by using photoelectron spectroscopy (UPS and XPS).

Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurde eine Ultrahochvakuumanlage für organische Molekularstrahldeposition (OMBD) konzipiert und gefertigt, die das Aufwachsen von einzelnen organischen Schichten bis hin zu komplexen Schichtsystemen auf geeigneten Substraten erlaubt. Mit einem ebenfalls konzipierten und gefertigten Probenhalter, sind elektrische Messungen in situ möglich. Für weitere Charakterisierungsmethoden, wie der spektroskopischen Ellipsometrie und der Reflexions-Anisotropie-Spektroskopie sind ebenfalls Optionen für in-situ-Messungen an der UHV-Anlage vorgesehen. Mit dieser Anlage wurden einzelne organische Schichten von Zinkphthalocyanin (ZnPc), Fulleren C60 und Bathocuproin (BCP) hergestellt, die anschließend mit spektroskopischer Ellipsometrie ex situ untersucht wurden. Mit der Herstellung organischer Solarzellen, auf Basis der zuvor hergestellten organischen Einzelschichten, konnte gezeigt werden, dass mit der UHV-Anlage komplexe organische Schichtsysteme erzeugt werden können, an denen in-situ-elektrische Messungen durchführbar sind. / Within the scope of this diploma thesis, a ultra high vacuum chamber for organic molecular beam deposition (OMBD) was designed and built, which allows the growth of single organic layers and complex composit layer structures. With an also designed and built sample holder, it is possible to make in situ electrical measurements. Single organic layers of zinc-phthalocyanine (ZnPc), fullerene C60 and bathocuproine (BCP) were deposited inside this chamber and characterized ex situ by spectroscopic ellipsometry. The preparation of an organic photovoltaic (OPV) cell based on the before characterized single layers, demonstrates that it is possible to deposit complex layer structures and characterize them electrical in situ.

In the scope of this diploma thesis the optical properties of organic multilayers and mixed layers were investigated by means of spectroscopic ellipsometry und infrared spectroscopy. The samples were prepared by organic molecular beam deposition in high vacuum on hydrogen passivated Silicon(111) substrates. The structures consist either of N,N-Di(naphthalene-1-yl)-N,N`-diphenyl-benzidine (a-NPD) and tris(8-hydroxyquinoline) aluminium (Alq3) or 3,4,9,10-perylene-tetracarboxylic dianhydride (PTCDA) and copper phthalocyanine (CuPc). The optical response of the multilayers consisting of Alq3 and a-NPD could be modelled using the isotropic dielectric functions of single layers assuming sharp interfaces. The planar structure of PTCDA and the CuPc molecules and their orientation in the stack lead to an overlapping of the p-orbitals strongly influencing the optical properties and the orientation of the molecules. It was found that in multilayers as well as in mixed layers the CuPc molecules adopt the orientation of PTCDA molecules with the molecular plane parallel to the substrate. The multilayers were described using the anisotropic dielectric functions of the constituents including intermixing and roughness at the interfaces. The deviation between the simulation and the experiment suggests an electronic interaction due to coupling between the p-orbitals of CuPc and PTCDA at the interfaces. The simulation of the mixed layers reveals a change in line shape of the Q-band of CuPc. Beside ellipsometry and infrared spectroscopy techniques like x-ray reflectometry and AFM were used for investigations. Additionally in this diploma thesis a special sample holder and manipulator was designed with which in-situ-ellipsometry measurements in ultra high vacuum can be performed. / Im Rahmen dieser Diplomarbeit wurden die optischen Eigenschaften von organischen Multilayern und Mischschichten untersucht. Die Schichtstrukturen wurden im Hochvakuum nach dem Verfahren der organischen Molekularstrahldeposition (OMBD) auf H-passivierten Silizium(111)-Substraten hergestellt. Die optische Charakterisierung erfolgte mit dem Verfahren der spektroskopischen Ellipsometrie und der Infrarotspektroskopie. Dabei wurden zwei verschiedene Materialienpaarungen untersucht, die zum einen aus den organischen Substanzen Aluminium 8-Hydroxichinolat (Alq3) und N,N'-Di(1-naphthyl)-N,N'-diphenylbenzidin (a-NPD) und zum anderen aus Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA) und Kupferphthalocyanin (CuPc) bestanden. Das optische Verhalten der Multilayer und der Mischschichten bestehend aus Alq3 und a-NPD konnte mit den isotropen dielektrischen Funktionen der Einzelschichten simuliert werden. In den PTCDA/CuPc-Schichtsystemen führt die planare Struktur der Moleküle zu einer starken Überlappung der p-Orbitale, was einen großen Einfluss auf die optischen Eigenschaften und die Orientierung der Moleküle hat. Es wurde festgestellt, dass sowohl in den Multilayern als auch in den Mischschichten die CuPc-Moleküle die Anordnung der PTCDA-Moleküle annehmen. Die Multilayer wurden unter Verwendung der anisotropen dielektrischen Funktionen der beteiligten Materialien und unter Berücksichtigung von Grenzflächenrauhigkeit simuliert. Die Unterschiede zwischen Experiment und Modell sind auf eine Kopplung zwischen den p-Orbitalen zurückzuführen. Die Simulationen der Mischschichten zeigten eine Veränderung der Linienform des Q-Bandes von CuPc. Als Untersuchungsmethoden kamen neben der Ellipsometrie und der Infrarotspektroskopie auch die Röntgen-Reflektometrie und das AFM zum Einsatz. Darüber hinaus wurde in dieser Arbeit eine Messeinrichtung aufgebaut, mit der in-situ-Ellipsometriecharakterisierung von Proben im Ultrahochvakuum möglich ist.

In dieser Arbeit wird die Messbarkeit des magnetooptischen Kerr-Effekts an organischen Schichten auf opaken Substraten demonstriert. Die Messungen wurden an VOPc und CuPc durchgeführt. Zur Bestimmung optischer und magnetooptischer Materialparameter kam zusätzlich das Messverfahren der Ellipsometrie zum Einsatz. Es wurden der komplexe Brechungsindex und die Voigt-Konstante der Schichten bestimmt. Desweiteren wurden aus den gesammelten Daten andere magnetooptische Effekte (Faraday-Effekt, MCD) berechnet und mit Literaturwerten bzw. Voraussagen einfacher Modelle verglichen. In einem Kapitel wird außerdem die temperaturabhängige Reflexionsanisotropie von VOPc betrachtet.

Techn. Universiẗat, Diss., 2006--Darmstadt.

Techn. University, Diss., 2003--Chemnitz.