Thin Films of π-Conjugated Chalcogenadiazole: Growth, Structure, and Optical Properties

Abstract

Organische Halbleiter (OSCs) stellen eine sich rasch entwickelnde Materialklasse dar, die aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften und Funktionen von großer Bedeutung für den Bereich der Optoelektronik ist. Im Bereich der organischen Optoelektronik hat sich die Verwendung dünner Schichten durchgesetzt. Als bemerkenswerte Beispiele können hier Geräte wie organische Feldeffekttransistoren (OFETs), organische Leuchtdioden (OLEDs) und organische Solarzellen angeführt werden. Ein entscheidender Aspekt bei der Herstellung optoelektronischer Bauelemente auf Basis organischer Kleinmoleküle ist das Verständnis der Wachstums- und Nachwachseffekte in Dünnschichten dieser Moleküle, da die Leistung dünnschichtbasierter Bauelemente von den Eigenschaften der Dünnschicht abhängt. Die Kombination aus organischer Molekularstrahldeposition (OMBD) und Hochvakuumbedingungen hat bei der Herstellung organischer Dünnschichten hohe Priorität, da sie eine präzise Steuerung des Wachstums und die Herstellung hochwertiger Schichten für Bauelementanwendungen ermöglicht. Ein Faktor, der die Leistung eines Materials trotz seiner Eignung bezüglich ihrer elektrischen und optischen Eigenschaften negativ beeinflussen kann, ist die Entnetzung der hergestellten Schicht. Aus diesem Grund ist die Untersuchung des Dünnschichtwachstums und der Nachwachseffekte sowie der strukturellen und optischen Eigenschaften von großem Interesse, sowohl für die Wissenschaft als auch für die industrielle Umsetzung.

Dünnschichten aus π-konjugierten organischen Molekülen haben im Bereich der organischen Optoelektronik erhebliche Aufmerksamkeit erhalten. Thiadiazolo-Heteroarene, die sich durch ihre robusten und einstellbaren Absorptionsspektren und effektiven Ladungstransporteigenschaften auszeichnen, entwickeln sich zu vielversprechenden Kandidaten für diese Technologien. Es wird angenommen, dass chemische Modifikationen, insbesondere solche, die ein schweres Se-Atom enthalten und folglich die π-Konjugation erweitern, eine Feinabstimmung der optischen Eigenschaften ermöglichen. Diese Modifikationen beeinflussen die strukturellen Konfigurationen über den Effekt des schweren Atoms sowie zusätzliche Wechselwirkungen. Daher ist ein umfassendes Verständnis der Wachstumsmechanismen von Dünnschichten und der optischen Eigenschaften solcher Verbindungen für die Weiterentwicklung zukünftiger Anwendungen von entscheidender Bedeutung.

Die vorliegende Arbeit demonstriert das Wachstumsverhalten und die Nachwachseffekte in Dünnschichten aus Dibenzoselenadiazoloquinoxalin (dbSeQ), einem neuartigen organischen Halbleiter, dessen Schichten eine Tendenz zur Entnetzung auf Si/SiOx-Substraten aufweisen. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurde die Abscheidung von Schichten aus dbSeQ in Kombination mit gut untersuchten organischen Halbleitern, nämlich Diindenoperylen (DIP) und Pentacen (PEN), bei Raumtemperatur und niedrigen Substrattemperaturen (RT bzw. LT) durchgeführt.

Mittels Röntgenstreuungstechniken, konkret streifender Kleinwinkel-Röntgenstreuung (GISAXS) und Röntgenreflektivität (XRR), wurde eine Echtzeit-Charakterisierung des Wachstums und des Temperns von Dünnschichten in situ durchgeführt. Die Kombination der Verfahren Rasterkraftmikroskopie (AFM), streifende Weitwinkel-Röntgenstreuung (GIWAXS), PL-Spektroskopie (PL) und UV-Vis-Absorptionsspektroskopie (UV-Vis) liefert maßgebliche Informationen zu Morphologie, Struktur und optischen Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten ex situ.

Diese Ergebnisse sind von signifikanter Relevanz für das Verständnis des Wachstums von organischen Halbleitern mit fusionierten 1,2,5-Selenadiazolen sowie der Faktoren, die dieses Wachstum beeinflussen und für die zukünftige Entwicklung dünnschichtbasierter Geräte genutzt werden können.

Organic semiconductors (OSCs) represent a rapidly advancing class of materials of great importance to the field of optoelectronics because of their unique properties and functionalities. The utilization of thin films of organic semiconductors has become pervasive within the domain of organic optoelectronics, with devices such as organic field-effect transistors (OFETs), organic light-emitting diodes (OLEDs), and organic solar cells serving as notable exemplars. A crucial aspect of the fabrication of optoelectronic devices based on organic small molecules is the understanding of the growth and the post-growth effects in thin films of these molecules, since the performance of thin-film-based devices depends on the characteristics of the thin film. The combination of organic molecular beam deposition (OMBD) and high vacuum conditions is of high priority during the fabrication of organic thin films, as it allows for the precise control of growth and the production of high-quality films for device applications. One of the factors that can negatively impact the performance of a given material despite its suitability in terms of electrical and optical properties is the dewetting of the produced film. Consequently, the study of thin film growth and the post-growth effects, along with its structural and optical properties, is of significant interest not only to the scientific community but also to industrial implementation.

Thin films composed of π-conjugated organic molecules have attracted considerable attention in the field of organic optoelectronics. Thiadiazolo-heteroacenes, which are distinguished by their robust and adjustable absorption spectra and effective charge transport properties, are emerging as promising candidates for these technologies. It is anticipated that chemical modifications, particularly those that incorporate a heavy Se atom and thus expand the π-conjugation, will allow fine-tuning of the optical characteristics and influence the structural configurations via the heavy-atom effect and additional interactions. Hence, a comprehensive understanding of the growth mechanisms of thin films and optical properties of such compounds is pivotal for the advancement of future applications.

The present work reveals the growth behavior and the post-growth effects in thin films of dibenzoselenadiazoloquinoxaline (dbSeQ), a new organic semiconductor, thin films of which tend to dewet on Si/SiOx substrates. To overcome this limiting feature, we deposited thin films of dbSeQ in combination with well-studied organic semiconductors, namely, diindenoperylene (DIP) and pentacene (PEN) at room and low substrate temperatures (RT and LT, respectively).

Using X-ray scattering techniques, i.e. grazing-incidence small-angle X-ray scattering (GISAXS) and X-ray reflectivity (XRR), we characterized the growth and the annealing of thin films in situ in real time. The combination of atomic force microscopy (AFM), grazing-incidence wide-angle X-ray scattering (GIWAXS), PL spectroscopy (PL) and UV-Vis absorption spectroscopy (UV-Vis) provides additional important information about the morphology, structure and optical properties of the deposited films ex situ.

These results are of great importance for understanding the growth of organic semiconductors incorporating fused 1,2,5-selenadiazoles and the factors that influence it, which can be used for the future development of thin film-based devices.