Alkalimetall-Dotierung von Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA) : Charakterisierung mit oberflächenanalytischen, elektrischen und quantentheoretischen Methoden

Abstract

Diese Arbeit beinhaltet im Wesentlichen die Untersuchung von dünnen halbleitenden PTCDA-Aufdampfschichten mit gezielt einstellbarer n-Leitfähigkeit. Die Einstellung der Leitfähigkeit durch kontrollierte n-Dotierung ist eine wichtige Voraussetzung für einen möglichen Einsatz dieses Materials als n-leitende Komponente in elektrischen Bauelementen. Neben der Charakterisierung von reinen PTCDA-Filmen lag der wesentliche Schwerpunkt auf der Untersuchung der Alkalimetall-Dotierung von PTCDA. Ziel war es zum einen, zu untersuchen, ob die Wechselwirkung mit Alkalimetallatomen zu einer erfolgreichen n-Dotierung des organischen Halbleiters führt, und zum anderen, diesen Dotierprozess detailliert zu charakterisieren. Zu diesem Zweck wurden verschiedene Untersuchungsmethoden angewandt. Die Analyse der geometrischen, chemischen und elektronischen Struktur der Schichten erfolgte mittels Rasterkraftmikroskopie (SFM), UV/VIS-Spektroskopie und Röntgen- bzw. Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie (XPS bzw. UPS). Die Charakterisierung der elektrischen Eigenschaften erfolgte durch temperaturabhängige Messungen der spezifischen Leitfähigkeit und des Seebeck-Koeffizienten. Dazu wurde eine vollständig neue UHV-Apparatur aufgebaut, die eine kombinierte und temperaturabhängige Bestimmung der o.g. elektrischen Messgrößen an in-situ präparierten PTCDA-Schichten erlaubt. Als wesentliches Ergebnis ist zu nennen, dass die Dotierung mit den Alkalimetallen Na und Cs erfolgreich verläuft und zu einer deutlichen Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit um bis zu 6 Größenordnungen führt. Die Dotieratome koordinieren dabei im Mittel an jedes zweite PTCDA-Molekül über die Anhydridgruppe. Dabei bleibt das PTCDA-Molekül stabil. Die Dotierung ist im Falle von Na reversibel. Bei Verwendung von Cs als Dotiermittel ist, zumindest aus spektroskopischer Sicht, die n-Dotierung luftstabil.

In this work PTCDA thin films with a controlled n-conductivity were studied. The n-conductivity can be precisely adjusted by a controlled doping of the PTCDA film with alkali metals which is a prerequisite for the use in electronic devices. Doping was performed with the alkali metals Na and Cs. The goal of this work was to investigate the efficiency of the alkali metal-doping in terms of electrical behaviour and to study the doping process in more detail. Investigations of geometry and the chemical and electronic structure were performed by scanning force microscopy (SFM), UV/VIS spectroscopy and photoemission spectroscopy (XPS, UPS). The electrical behaviour was studied by measuring the temperature dependence of both, the electrical conductivity and the Seebeck-coefficient. For this purpose a new UHV apparatus for combined measurements of conductivity and Seebeck-coefficient has been developed. The most important results are as follows: n-doping of PTCDA with the alkali metals Na and Cs is successful and leads to an increase in conductivity up to 6 orders of magnitude. The Interaction between the alkali atoms and the PTCDA molecule takes place at the anhydride groups. The PTCDA molecule stays stable for all doping levels. In the case of Na the doping process is reversible. Cs-doping is stable upon contact to air, at least from a spectroscopic point of view.