Diese Dissertation stellt die erste Anwendung des magneto-optischen Kerr Effektes (MOKE) auf ferromagnetische Metall/Organische Heterostrukturen zur Aufklärung der optischen und chemischen Eigenschaften dar. Die MOKE-Untersuchungen wurden spektroskopisch in einem Energiebereich von 1.7 eV bis 5.5 eV durchgeführt. Heterostrukturen, wie sie hier untersucht werden, sind relevant für Anwendungen in der organischen Spintronik. Die Auswertung der Experimentellen Daten wird unterstützt durch numerische Simulationen eines Schichtmodells und ergänzende Untersuchung der strukturellen und magnetischen Eigenschaften unter Zuhilfenahme von AFM, TEM, SEM, STXM und SQUID-Magnetometrie. In der aktuellen Arbeit wurde Ni als Beispiel einer ferromagnetischen Schicht oberhalb oder unterhalb des organischen Films verwendet. Die organische Schicht besteht jeweils aus den diamagnetischen Molekülen Rubren, Pentacen und Fulleren, welche nur ein vernachlässigbares MOKE-Signal aufweisen. Zum Vergleich wurden das metallfreie Phtalocyanin H2Pc, welche ein nur eine bis zwei Größenordnungen schwächeres MOKE Signal als das genutzte Ni zeigen, betrachtet. Selbst Moleküle, welche kein intrinsisches MOKE-Signal zeigen, können über die optische Interferenz Einfluss auf das MOKE Signal von Ni nehmen. Daher kann die Dicke der organischen Schicht genutzt werden, um den Verlauf des MOKE Spektrum zu kontrollieren. Dies wird für Rubren und C60 gezeigt. Beim Vergleich des MOKE-Spektrums von Rubren/Ni- und Ni/Rubren-Doppelschichten war es möglich zu zeigen, dass die Metallablagerung an der Oberfläche einen Versiegelungseffekt hat, welcher die Oxidation der organischen Unterschicht verlangsamt. AFM und TEM Messungen zeigen, dass Ni die Morphologie der unteren Rubrenschicht annimmt. Die Proben, die mit einer geringen Wachstumsrate von Rubren hergestellt wurden, weisen bei einer nominellen Schichtdicke von 15 nm klar geformte Rubren-Inseln mit großen Abständen zwischen ihnen auf. In diesen Fällen zeigte die magnetische Hysteresemessung von MOKE bei Raumtemperatur eine unterschiedliche Gestalt in Abhängigkeit von der Photonenenergie. Die Hystereseschleifen wurden durch die Präsenz zweier magnetischer Phasen interpretiert. Die MOKE-Spektren dieser beiden Phasen wurden aus dem experimentellen Spektrum separiert. Die Gestalt des gemessenen Spektrums ändert sich mit der Stärke des angelegten Feldes aufgrund der unterschiedlichen Beiträge der zwei Phasen. An den ferromagnetischen Metall/organischen Schichten wurde TEM angewendet, um die Größe der Metallpartikel zu bestimmen, sowie STXM um die Orientierung der organischen Moleküle festzustellen. Die Schichtdicke, das Massenverhältnis sowie die Wechselwirkung zwischen Metall und organischen Material beeinflussen nachweislich das MOKE Signal.

Organic transistors are a core component for basically all relevant types of fully organic circuits and consumer electronics. The Organic Permeable Base Transistor (OPBT) is a transistor with a sandwich geometry like in Organic Light Emitting Diodes (OLEDs) and has a vertical current transport. Therefore, it combines simple fabrication with high performance due its short transit paths and has a fairly good chance of being used in new organic electronics applications that have to fall back to silicon transistors up to now. A detailed understanding of the operation mechanism that allows a targeted engineering without trial-and-error is required and there is a need for universal optimization techniques which require as little effort as possible. Several mechanisms that explain certain aspects of the operation are proposed in literature, but a comprehensive study that covers all transistor regimes in detail is not found. High performances have been reported for organic transistors which are, however, usually limited to certain materials. E. g., n-type C60 OPBTs are presented with excellent performance, but an adequate p-type OPBT is missing. In this thesis, the OPBT is investigated under two aspects: Firstly, drift-diffusion simulations of the OPBT are evaluated. By comparing the results from different geometry parameters, conclusions about the detailed operation mechanism can be drawn. It is discussed where charge carriers flow in the device and which parameters affect the performance. In particular, the charge carrier transmission through the permeable base layer relies on small openings. Contrary to an intuitive view, however, the size of these openings does not limit the device performance. Secondly, p-type OPBTs using pentacene as the organic semiconductor are fabricated and characterized with the aim to catch up with the performance of the n-type OPBTs. It is shown how an additional seed-layer can improve the performance by changing the morphology, how leakage currents can be defeated, and how parameters like the layer thickness should be chosen. With the combination of all presented optimization strategies, pentacene OPBTs are built that show a current density above 1000 mA/cm^2 and a current gain of 100. This makes the OPBT useful for a variety of applications, and also complementary logic circuits are possible now. The discussed optimization strategies can be extended and used as a starting point for further enhancements. Together with the deep understanding obtained from the simulations, purposeful modifications can be studied that have a great potential.:1 Introduction and Motivation 2 Theory 2.1 Organic Semiconductors 2.1.1 Organic Molecules and Solids 2.1.2 Charge Carrier Transport 2.1.3 Charge Carrier Injection 2.1.4 Doping 2.2 Organic Permeable Base Transistors 2.2.1 Structure 2.2.2 Basic Operation Principle 3 Overview of Different Transistor Architectures 3.1 Organic Field Effect Transistors 3.2 Organic Permeable Base Transistors 3.2.1 Development of the Permeable Base Transistor 3.2.2 Optimization Strategies 3.3 Comparison to Inorganic Transistors 3.4 Other Emerging Transistor Concepts 3.4.1 OSBT 3.4.2 Step-Edge OFET 3.4.3 VOFET 3.4.4 IGZO Devices 4 Experimental 4.1 Materials and their Properties 4.1.1 Pentacene 4.1.2 F6TCNNQ 4.1.3 Aluminum Oxide 4.2 Fabrication 4.2.1 Thermal Vapor Deposition 4.2.2 Chamber Details and Processing Procedure 4.2.3 Sample Structure 4.3 Characterization Methods and Tools 4.3.1 Electrical Characterization 4.3.2 Morphology 4.3.3 XPS 5 Simulations and Working Mechanism 5.1 Simulation Setup 5.1.1 Overview 5.1.2 OPBT Model 5.1.3 Drift-Diffusion Solver 5.1.4 Post-Processing of Simulation Data 5.2 Basic Concept 5.2.1 Base Sweep Regions 5.2.2 Correlation with charge carrier density and potential 5.3 Charge Carrier Accumulation 5.3.1 Accumulation at Emitter and Collector 5.3.2 Current Flow 5.3.3 Area contributing to the current flow 5.4 Current Limitation Mechanisms 5.4.1 Varying Size of the Opening 5.4.2 Channel Potential 5.4.3 Limitation of Base-Emitter Transport 5.4.4 Intrinsic Layer Variation 5.5 Opening Shapes 5.5.1 Cylindrical Opening and Symmetry 5.5.2 Truncated Cone Setup 5.6 Base Leakage Currents 5.6.1 Description of the Insulator 5.6.2 Top and Bottom Contribution 5.6.3 Validity of Calculation 5.7 Analytical Description of the OPBT base sweep 5.7.1 Description of operation regions 5.7.2 Transition Voltages and Full Characteristics 5.7.3 Comparison to Experiment 5.8 Output Characteristics 5.8.1 Saturation region 5.8.2 Linear region 5.8.3 Intrinsic Gain 5.9 Summary of Operation Mechanism 6 Nin-Devices and Structuring 6.1 Effect of Accumulation and Scalability 6.1.1 Active Area and Electrode Overlap 6.1.2 Indirect Structuring 8 Contents 6.1.3 Four-Wire Measurement 6.1.4 Pulsed Measurements 6.2 Mobility Measurement 6.2.1 Mobility Extraction from a Single IV Curve 6.2.2 Verification of the SCLC using Thickness Variations 6.3 Geometric Diode 7 Optimization of p-type Permeable Base Transistors 7.1 Introduction to p-type Devices 7.2 Characteristics of OPBTs 7.2.1 Diode characteristics 7.2.2 Base sweep 7.2.3 Output characteristics 7.3 Seed-Layer 7.3.1 Process of Opening Formation 7.3.2 Performance using different Seed-Layers 7.4 Built-in field 7.4.1 Effect on Performance 7.4.2 Explanation for the Transmission Improvement 7.5 Base Insulation 7.5.1 Importance of Base Insulation 7.5.2 Additional Insulating Layers and Positioning 7.5.3 Enhancement of Native Aluminum Oxide 7.6 Complete Optimization 7.6.1 Indirect Structuring in OPBTs 7.6.2 Combination of different Optimization Techniques 7.7 Potential of the Technology 7.7.1 Future Improvements 7.7.2 Achievable Performance 7.8 Demonstration of the Organic Permeable Base Transistor 7.8.1 Simple OLED driver 7.8.2 An Astable Oscillator using p-type OPBTs 7.8.3 An OLED Driver using n-type OPBTs controlled by Organic Solar Cells 8 Conclusion / Organische Transistoren stellen eine Kernkomponente für praktisch jede Art von organischen Schaltungen und Elektronikgeräten dar. Der “Organic Permeable Base Transistor” (OPBT, dt.: Organischer Transistor mit durchlässiger Basis) ist ein Transistor mit einem Schichtaufbau wie in organischen Leuchtdioden (OLEDs) und weist einen vertikalen Stromfluss auf. Somit wird eine einfache Herstellung mit gutem Verhalten und Leistungsfähigkeit kombiniert, welche aus den kurzen Weglängen der Ladungsträger resultiert. Damit ist der OPBT bestens für neuartige organische Elektronik geeignet, wofür andernfalls auf Siliziumtransistoren zurückgegriffen werden müsste. Notwendig sind ein tiefgehendes Verständnis der Funktionsweise, welches ein zielgerichtetes Entwickeln der Technologie ohne zahlreiche Fehlversuche ermöglicht, sowie universell einsetzbare und leicht anwendbare Optimierungsstrategien. In der Literatur werden einige Mechanismen vorgeschlagen, die Teile der Funktionsweise betrachten, aber eine umfassende Untersuchung, die alle Arbeitsbereiche des Transistors abdeckt, findet sich derzeit noch nicht. Ebenso gibt es einige Veröffentlichungen, die Transistoren mit hervorragender Leistungsfähigkeit zeigen, aber meist nur mit Materialien für einen Ladungsträgertyp erzielt werden. So gibt es z.B. n-typ OPBTs auf Basis von C60, für die bisher vergleichbare p-typ OPBTs fehlen. In dieser Arbeit werden daher die folgenden beiden Aspekte des OPBT untersucht: Einerseits werden Drift-Diffusions-Simulationen von OPBTs untersucht und ausgewertet. Kennlinien und Ergebnisse von Transistoren aus verschiedenen Parametervariationen können verglichen werden und erlauben damit Rückschlüsse auf verschiedenste Aspekte der Funktionsweise. Der Fluss der Ladungsträger sowie für die Leistungsfähigkeit wichtige Parameter werden besprochen. Insbesondere sind für die Transmission von Ladungsträgern durch die Basisschicht kleine Öffnungen in dieser nötig. Die Größe dieser Öffnungen stellt jedoch entgegen einer intuitiven Vorstellung keine Begrenzung für die erreichbaren Ströme dar. Andererseits werden p-typ OPBTs auf Basis des organischen Halbleiters Pentacen hergestellt und charakterisiert. Das Ziel ist hierbei die Leistungsfähigkeit an die n-typ OPBTs anzugleichen. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie durch eine zusätzliche Schicht die Morphologie und die Transmission verbessert werden kann, wie Leckströme reduziert werden können und welche Parameter bei der Optimierung besondere Beachtung finden sollten. Mit all den Optimierungen zusammen können Pentacen OPBTs hergestellt werden, die Stromdichten über 1000 mA/cm^2 und eine Stromverstärkung über 100 aufweisen. Damit kann der OPBT für eine Vielzahl von Anwendungen eingesetzt werden, unter anderem auch in Logik-Schaltungen zusammen mit n-typ OPBTs. Die besprochenen Optimierungen können weiterentwickelt werden und somit als Startpunkt für anschließende Verbesserungen dienen. In Verbindung mit erlangten Verständnis aus den Simulationsergebnissen können somit aussichtsreiche Veränderungen an der Struktur des OPBTs zielgerichtet eingeführt werden.:1 Introduction and Motivation 2 Theory 2.1 Organic Semiconductors 2.1.1 Organic Molecules and Solids 2.1.2 Charge Carrier Transport 2.1.3 Charge Carrier Injection 2.1.4 Doping 2.2 Organic Permeable Base Transistors 2.2.1 Structure 2.2.2 Basic Operation Principle 3 Overview of Different Transistor Architectures 3.1 Organic Field Effect Transistors 3.2 Organic Permeable Base Transistors 3.2.1 Development of the Permeable Base Transistor 3.2.2 Optimization Strategies 3.3 Comparison to Inorganic Transistors 3.4 Other Emerging Transistor Concepts 3.4.1 OSBT 3.4.2 Step-Edge OFET 3.4.3 VOFET 3.4.4 IGZO Devices 4 Experimental 4.1 Materials and their Properties 4.1.1 Pentacene 4.1.2 F6TCNNQ 4.1.3 Aluminum Oxide 4.2 Fabrication 4.2.1 Thermal Vapor Deposition 4.2.2 Chamber Details and Processing Procedure 4.2.3 Sample Structure 4.3 Characterization Methods and Tools 4.3.1 Electrical Characterization 4.3.2 Morphology 4.3.3 XPS 5 Simulations and Working Mechanism 5.1 Simulation Setup 5.1.1 Overview 5.1.2 OPBT Model 5.1.3 Drift-Diffusion Solver 5.1.4 Post-Processing of Simulation Data 5.2 Basic Concept 5.2.1 Base Sweep Regions 5.2.2 Correlation with charge carrier density and potential 5.3 Charge Carrier Accumulation 5.3.1 Accumulation at Emitter and Collector 5.3.2 Current Flow 5.3.3 Area contributing to the current flow 5.4 Current Limitation Mechanisms 5.4.1 Varying Size of the Opening 5.4.2 Channel Potential 5.4.3 Limitation of Base-Emitter Transport 5.4.4 Intrinsic Layer Variation 5.5 Opening Shapes 5.5.1 Cylindrical Opening and Symmetry 5.5.2 Truncated Cone Setup 5.6 Base Leakage Currents 5.6.1 Description of the Insulator 5.6.2 Top and Bottom Contribution 5.6.3 Validity of Calculation 5.7 Analytical Description of the OPBT base sweep 5.7.1 Description of operation regions 5.7.2 Transition Voltages and Full Characteristics 5.7.3 Comparison to Experiment 5.8 Output Characteristics 5.8.1 Saturation region 5.8.2 Linear region 5.8.3 Intrinsic Gain 5.9 Summary of Operation Mechanism 6 Nin-Devices and Structuring 6.1 Effect of Accumulation and Scalability 6.1.1 Active Area and Electrode Overlap 6.1.2 Indirect Structuring 8 Contents 6.1.3 Four-Wire Measurement 6.1.4 Pulsed Measurements 6.2 Mobility Measurement 6.2.1 Mobility Extraction from a Single IV Curve 6.2.2 Verification of the SCLC using Thickness Variations 6.3 Geometric Diode 7 Optimization of p-type Permeable Base Transistors 7.1 Introduction to p-type Devices 7.2 Characteristics of OPBTs 7.2.1 Diode characteristics 7.2.2 Base sweep 7.2.3 Output characteristics 7.3 Seed-Layer 7.3.1 Process of Opening Formation 7.3.2 Performance using different Seed-Layers 7.4 Built-in field 7.4.1 Effect on Performance 7.4.2 Explanation for the Transmission Improvement 7.5 Base Insulation 7.5.1 Importance of Base Insulation 7.5.2 Additional Insulating Layers and Positioning 7.5.3 Enhancement of Native Aluminum Oxide 7.6 Complete Optimization 7.6.1 Indirect Structuring in OPBTs 7.6.2 Combination of different Optimization Techniques 7.7 Potential of the Technology 7.7.1 Future Improvements 7.7.2 Achievable Performance 7.8 Demonstration of the Organic Permeable Base Transistor 7.8.1 Simple OLED driver 7.8.2 An Astable Oscillator using p-type OPBTs 7.8.3 An OLED Driver using n-type OPBTs controlled by Organic Solar Cells 8 Conclusion

Au cours de ce travail, dans une première approche descendante, nous avons étudié la réalisation de cellules solaires multicouches évaporées à base de matériaux organiques : le pentacène et le PTCDI-C5. Nous nous sommes servis de cela pour bâtir des cellules simple jonction bicouches et les caractériser. Ces cellules ont servi de modèle de référence à notre étude et démontrent des capacités en accord avec la littérature. Nous avons ensuite produit et caractérisé des cellules multijonctions en bicouches. Une rapide étude sur le comportement d’une couche d’argent d’épaisseur nanométrique a servi à déposer la couche de recombinaison de ces cellules. Nous nous sommes ensuite attelés à la réalisation de monocouches auto-assemblées sur silicium dans le but de développer des couches actives donneur-accepteur et de pouvoir les empiler par l’approche ascendante. Après avoir étudié les groupements d’accroche silanes et acides phosphoniques, nous avons investigué la réalisation de SAM de (3-Triméthoxysilylpropyl) diéthylènetriamine (DETAS) sur silicium en tant que couche d’accroche pour les molécules actives. Nous avons mis en évidence la présence de liaisons hydrogènes aidant à l’organisation de la SAM grâce à des analyses ATR-FTIR. Nous nous sommes servis de cette SAM comme couche d’accroche pour la greffe d’une molécule photo-active le pérylène tétracarboxylique dianhydride (PTCDA). Les techniques de caractérisation par AFM, ellipsométrie et spectroscopie Raman nous ont servi à caractériser notre surface après la greffe de PTCDA / During this study, in a first top-down approach, we investigated evaporated multilayer organic solar cells built from pentacene and PTCDI-C5. We studied spectral response from these materials as well as their vacuum deposition characteristics. We used that knowledge to build simple junction and bi-layer solar cells. Those cells were the reference that allowed us to build and characterised multijonctions bi-layer solar cells with a nanostructured silver layer as recombination layer. A simple study of that silver layer was also conducted. We then switched to self-assembled monolayers on silicon in order to build donor-acceptor active layers that could be stacked, in a bottom-up approach. First, we compared silane and phosphonic acid grafting groups with an 18 carbon long alkane chain. Then we studied (3- trimethoxysilylpropyl) diethylentrimaine (DETAS) on silicon with extra care on relative humidity as a grafting parameter. We also investigated DETAS SAM to highlight hydrogen bonding within the monolayer using ATR-FTIR. DETAS SAM were then used as an anchor molecule for a photoactive molecule perylene tetracarboxylicdianhydrid (PTCDA). Characterisation technics used were AFM, ellipsometry, and Raman spectroscopy