Wachstum und Orientierung organischer Halbleiterschichten

Abstract

In der vorliegenden Arbeit werden Untersuchungen der Dünnschichteigenschaften (elektronische, strukturelle und morphologische Eigenschaften) von verschiedenen organischen Halbleiter-Dünnschichtsystemen vorgestellt und diskutiert. Als organische Halbleitermaterialien wurden dabei Diindenoperylen und unterschiedliche Metall-Phthalocyanine verwendet. Die mittels organischer Molekularstrahl-Deposition unter Anwendung streng kontrollierter Präparationsbedingungen auf verschiedenen einkristallinen und polykristallinen Substraten hergestellten Dünnschichtsysteme wurden dabei mit einer Reihe spektroskopischer und mikroskopischer Methoden charakterisiert. Dabei kamen die polarisationsabhängige Raman-Spektroskopie, die Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS), die Nahkantenröntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) sowie die Rasterkraftmikroskopie (AFM) zum Einsatz.

Da detaillierte Untersuchungen der auf das Wachstum und auf die Dünnschichteigenschaften von organischen Halbleitermaterialien einflussnehmenden Faktoren von grundlegender Bedeutung sind, beispielsweise für die Qualität (opto)elektronischer Bauteile, ist dieser Forschungsbereich eine spannende Herausforderung aber auch ein wichtiges Bindeglied zwischen (Grundlagen-)Forschung und anwendungsorientierter und industrierelevanter Forschung und Entwicklung. Eine wichtige Aufgabenstellung ist dabei die Untersuchung der Einflüsse von Herstellungs- bzw. Präparationsparameter auf die Dünnschichteigenschaften wie beispielsweise elektronische, strukturelle und morphologische Eigenschaften. Pi-konjugierte organische Halbleiter finden diesbezüglich oftmals Verwendung als Referenz bzw. Modell-Systeme.

In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden, dass durch die gezielte Auswahl der Präparationsbedingungen (Substrattemperatur, Art des organischen Halbleitermaterials, Anwesenheit von elektrischen Feldern, Schichtdicke des organischen Films, Deposition von Metallen) die molekulare Vorzugsorientierung, das Ausmaß und die Qualität der Kristallinität, die Filmmorphologie sowie die in dünnen Filmen vorherrschende polymorphe Modifikation des organischen Halbleitermaterials verändert bzw. gelenkt werden kann.

In this thesis investigations of thin film properties (electronic, stuctural and morphological properties) of several thin films of organic semiconductors are presented and discussed. Diindenoperylene and different metal phthalocyanines were used as organic semiconductors. Thin organic films on single crystals and polycrystalline substrates prepared by organic molecular beam deposition with defined preparation conditions were characterized with several spectroscopic and microscopic methods. Thereby, polarization dependent Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS) and atomic force microscopy (AFM) were applied.

Since detailed investigations of both thin film growth and thin film properties of organic semiconductors are relevant, e.g. for the quality of (opto)electronic devices, this field of research is an interesting challenge and an important connector between fundamental research and application-oriented research and development. An important topic is the investigation of the influences of preparation parameters on the thin film properties, e.g. on electronic, structural and morphological properties. In this regard pi-conjugated organic semiconductors are used as reference or model systems.

In the present thesis it was shown that the choice of specific preparation parameters (substrate temperature, organic material, presence of electric fields, film thickness, deposition of metals) can change or control the preferential molecular orientation, the degree of crystallinity, the film morphology and the predominant polymorphic modification in thin films of organic semiconductors.