Structural and Spectroscopic Studies of Molecular Semiconductor Donor:Acceptor Systems for Organic Optoelectronics

Abstract

Organische Halbleiter sind faszinierende Systeme. Sie sind in den letzten Jahrzehnten von immer größer werdendem Interesse für optoelektronische Anwendungen und haben für sich ein wichtiges Stück Markt gewonnen. Ein Beispiel ist die Herstellung von OLED-Bildschirmen. Auf der anderen Seite bieten sie weiterhin spannende Herausforderungen in der Festkörper Physik. Die Möglichkeiten der chemischen Synthese, immer neue Materialien durch passende Funktionalisierungen zu erzeugen, bietet fruchtbaren Boden zur Untersuchung der strukturellen und optischen Eigenschaften und ihren Zusammenhang in dünnen organischen Schichten. Die in dieser Dissertation hauptsächlich untersuchten Halbleitersysteme gehören, im Gegensatz zu den Polymeren, zu der Kategorie der kleinen Moleküle. Solche Molekularen Halbleiter können durch Vakuumdeposition auf Substrate aufgedampft werden. Diese Methode ermöglicht einen hohen Kontrollgrad mit Blick auf die Wachstumsmechanismen auf einem Substrat. Diese Arbeit fokussiert sich auf Donor:Akzeptor Systeme (D:A Systeme) hergestellt mittels Organic Molecular Beam Deposition (OMBD). Solche Mischsysteme sind interessant, denn sie betreffen das viel diskutierte Thema der Moleküldotierung zur Steigerung der Leitfähigkeit funktioneller organischer Schichten in optoelektronischen Bauelementen. Der Begriff der Moleküldorierung ist an den klassischen Begriff der Dotierung in anorganischen Halbleitern wie Silizium angelehnt und bezeichnet den Zusatz kleiner molekularer Halbleiter zu bestehenden organischen Schichten zwecks der Erzeugung von freien Ladungsträgern. Es existieren verschiedene Modelle, die versuchen, die mikroskopischen Mechanismen der Moleküldorierung in D:A Systemen in Bezug auf Wechselwirkungen durch Ladungstransfer nachzuvollziehen. Bei Polymersystemen können solche Wechselwirkungen einem Ionisationsprozess zugeordnet werden. In D:A Systemen bestehend aus kleinen Molekülen geschieht der Prozess des Ladungstransfers oft schon im Grundzustand innerhalb eines supramolekularen Komplexes, häufig D:A Komplex genannt. In dieser Arbeit wurden organische Dünnschichtsystemen, genauer D:A Mischungen, mit OMBD nach der sogenannten Bulk Heterojunction Architektur hergestellt, d.h. die Donor- und Akzeptor- Moleküle wurden gleichzeitig auf das Substrat aufgedampft. Mithilfe einer solchen Architektur kann man die Anzahl an D:A Komplexen maximieren und dadurch den Aufbau von D:A Cokristallen beobachten. Die optischen und strukturellen Eigenschaften von D:A Co-kristallen und deren Zusammenhang lassen sich am besten untersuchen, indem man das D:A Mischungsverhältnis in den Filmen systematisch variiert. Dies stellt gleichzeitig eine Annährung zur Untersuchung der Einzelsysteme dar. Die Untersuchung der strukturellen Eigenschaften schließt den Effekt der Molekülorientierung mit ein, was für anisotropische molekulare Halbleiter einen grundlegenden Aspekt darstellt, der in der Literatur häufig nicht erwähnt wird. Diese Arbeit leistet daher einen wichtigen Beitrag: es wird ein breiteres Verständnis bezüglich der strukturellen und optischen Eigenschaften und deren Zusammenhangs in organischen Dünnschichten gewonnen. Dies bezieht sich im Besonderen auf die Erweiterung der untersuchten D:A Materialkombinationen und auf die Berücksichtigung des Effekts der Orientierung in anisotropischen molekularen Halbleitern. Die in dieser Arbeit enthaltenen Ergebnisse bieten daher eine erweiterte Perspektive für die Entwicklung optoelektronischer Bauelemente aus organischen Halbleitermaterialien.