Structure and Electronic Gap State Density at Organic Semiconductor Interfaces

Abstract

Die letzten Jahrzehnte waren Zeuge eines beträchtlichen Forschungsaufwands in der Materialwissenschaft der organischen Halbleiter, welcher zu einem enormen Fortschritt im Bereich der organischen elektronischen Bauteile geführt hat. Hocheffiziente organische Leuchtdioden (OLEDs) haben Marktreife erreicht und sind dabei, der Standard in der Displaytechnologie zu werden. Auch organische Photovoltaikzellen (OPVs) eröffnen einzigartige Vorteile gegenüber ihren anorganischen Gegenstücken. Besonders die Möglichkeit chemisch die strukturellen, optischen und elektronischen Eigenschaften den Bedürfnissen anzupassen, macht organischen Halbleiter auch in Zukunft zu vielversprechenden Materialien für verschiedenste (opto-)elektronische Anwendungen. Während frühe Bauteile aus nur einer aktiven Lage zwischen zwei Elektroden aufgebaut waren, weisen moderne und effizientere Bauteile mehrere übereinandergeschichtete Lagen verschiedener organischer Materialien auf. Die Funktionalität dieser komplexen Heterostrukturen leitet sich großteils von der relativen Angleichung der Energie von Molekülorbitalen einer Lage in Beziehung zur Molekülorbitalenergie in allen anderen ab. Dabei spielen besonders die Energien der höchsten besetzten Orbitale (HOMOs, engl.: highest occupied molecular orbitals) und die der niedrigsten unbesetzten Orbitale (LUMOs, engl.: lowest unoccupied molecular orbitals) eine Rolle. Trotz der signifikanten Relevanz für technologische Anwedungen und trotz des ungebrochenen wissenschaftlichen Interesses, fehlt bis heute ein Modell, welches diese Energieniveauanpassung an organischen Grenzflächen zuverlässig und quantitativ vorhersagen kann. Ein Grund für die komplizierten elektronischen Eigenschaften organischer Materialien im Allgemeinen und für Heterostrukturen im Besonderen liegt in ihrer strukturellen Komplexität. Organische Moleküle bilden meist polykristalline Filme, in denen die Bestandteile durch relativ schwache van-der-Waals-Wechselwirkungen zusammengehalten werden. Zusammen mit der anisotropen molekularen Form führt dies zu Dünnfilmstrukturen und Filmmorphologien, welche hochgradig anisotrop sind und vom Substrat, sowie von den gewählten Wachstumsgegebenheiten abhängen. Vor einigen Jahren wurde ein Modell, welches die strukturellen Eigenschaften - besonders im Hinblick auf die strukturellen Defekte der Filme - mit der elektronischen Energieniveauangleichung in Verbindung bringt, vorgeschlagen. Verantwortlich für eine Verschiebung sind dabei zusätzliche elektronische Zustände innerhalb der Energielücke zwischen HOMO und LUMO. Diese sogenannten Lückenzustände (engl. gap states) entstehen dabei durch kleine Abweichungen der Moleküle aus ihrer optimalen Lage, welche die Energielandschaft empfindlich stören können. Abhängig von der relativen Position der HOMO- und LUMO-Niveaus, sowie der dazugehörigen Lückenzustandsdichte zur Fermienergie des Substrates werden Elektronen entweder zum oder vom Substrat übertragen und führen zu den oben beschriebenen Verschiebungen der Energieniveaus. Da die Lückenzustandsdichte mit strukturellen Parametern korreliert ist, lassen sich also auf diesem Wege elektronische Eigenschaften kontrollieren. Der spezifische Ursprung der Lückenzustände und ihre Auswirkung auf die Energieniveauangleichung in organischen Dünnfilmen einzelner Komponenten sowie in komplexeren (planaren) Heterostrukturen ist das Hauptthema dieser Arbeit.