Organic molecular crystals: from thin-films to devices : investigation of thin-film formation and electronic transport properties of polycrystalline perylene films

Effertz, Christian; Wuttig, Matthias

doi:30807

Organic molecular crystals: from thin-films to devices : investigation of thin-film formation and electronic transport properties of polycrystalline perylene films = Organische Molekülkristalle : von dünnen Schichten zu Bauelementen

Effertz, Christian (Author)

2011

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Christian Effertz

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2011

UmfangVIII, 178, XLVIII S. : Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2011

Zsfassung in dt. und engl. Sprache

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wuttig, Matthias (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2011-05-09

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-37780
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/65408/files/3778.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Dünnschichttransistor (Genormte SW) ; Organischer Halbleiter (Genormte SW) ; Halbleiterschicht (Genormte SW) ; Amorphe Polymere (Genormte SW) ; Ladungsträger (Genormte SW) ; Molekül (Genormte SW) ; Physik (frei) ; organische Dünnschichttransistoren (frei) ; dielektrische Oberflächen (frei) ; dielektrische Monolagen (frei) ; polykristalline Festkörper (frei) ; organic thin-film transistors (frei) ; dielectric surfaces (frei) ; dielectric monolayers (frei) ; polycrystalline solids (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
pacs: 72.80.Le * 81.05.Fb * 68.35.bm

Kurzfassung
Als Bardeen, Shockley und Brattain 1947 den ersten Transistor produzierten konnte sich noch niemand vorstellen, dass dieser einen weitreichenden Einfluss auf unseren heutigen Alltag haben würde. Erst das Voranschreiten der Dünnschichttechnologie bedeutete auch den Beginn des bis heute währenden Triumphzuges des Transistors. Organische Halbleiter stehen schon seit Mitte des 20. Jahrhunderts im Blickpunkt. Mitte der achtziger Jahre waren es Karl, Warta und Stehle, die mit Publikationen zu "ultrareinen Fotoleitern mit hoher Ladungsträgermobilität" und zum "Ladungsträgertransport in organischen Leitern" der Forschung an organischen Materialen zum Aufschwung verhalfen. Mitte des ersten Jahrzehnts des 21. Jahrhunderts wurden organische Materialien mehr oder weniger unbemerkt ein Teil des Alltags. Organische Leuchtdioden (OLED) werden heutzutage in einer Vielzahl von Produkten wie z.B. Handys verkauft, der Umsatz von OLEDs überschritt im Jahr 2008 die 1.000.000.000 Marke. An diesem Erfolg können organische Dünnschichttransistoren noch nicht teilhaben. Dennoch - oder gerade deswegen - sind sie ein Objekt aktueller Forschung da sie sich hervorragend als sogenannten "aktive Matrizen" d.h. als Schaltzentrale für flexible Displays eignen. Einer der Gründe für die bisherige Abwesenheit von OTFTs in kommerziellen Produkten ist die vergleichsweise langsame Schaltgeschwindigkeit, welche in der niedrigen Ladungsträgermobilität begründet ist. Eine Möglichkeit, die Schaltgeschwindigkeit zu verbessern, sind Dielektrische Oberflächen Modifikationen (DSMs). DSMs basieren auf dünnen organischen Schichten, die im TFT zwischen Dielektrikum und Organik eingebracht werden. Sie haben einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von OTFTs und auf die Filmperfektion der organischen Dünnschichten. Außerdem ermöglichen DSMs die Kombination eines beliebigen Substrats mit einem beliebigen organischen Leitermaterial. Obwohl in der heutigen Forschung häufig angewendet ist der Grund für die Leistungssteigerung durch DSMs noch nicht verstanden. Das behindert die Entwicklung neuer DSMs drastisch. In dieser Arbeit werden zwei systematische Ansätze vorstellt, in denen DSMs gezielt für die Anwendung in OTFTs ausgewählt bzw. neu entwickelt worden sind. Im Rahmen des ersten Ansatzes wurden kommerziell erhältliche DSMs ausgewählt, welche in drei Gruppen eingeteilt werden konnten: DSMs mit niedriger, mit hoher und mit mittlerer (bezogen auf die Adhäsion zwischen DSM und der Perylenschicht)Adhäsionsenergie. Schichten, welche auf DSMs mit niedriger Adhäsionsenergie aufwuchsen zeigen eine gute Texturierung und großflächige Kristallite. Im Gegensatz dazu zeigen Perylenschichten, welche auf DSMs mit hoher Adhäsionsenergie produziert worden sind, ein gestörtes Wachstumsverhalten das zu einer schlechten Filmqualität führte. Es konnte gezeigt werden, dass OTFTs, welche auf DSMs mit niedriger Adhäsionsenergie produziert worden sind, ein deutlich verbessertes Leistungsvermögen gegenüber OTFTs ohne DSM zeigen. Die Anwendung von neuartigen DSMs, welche auf Derivaten von Tridecyltricholosilan basierten, ermöglichte die gezielte Beeinfluss der Adhäsionsenergie. Diese Experimente bestätigten die Wichtigkeit einer gezielten Wahl der passenden DSM. Mit speziell hergestellten DSMs waren wir in der Lage die Adhäsionsenergie zwischen DSM und Perylen gezielt einzustellen. Die Experimente mit den neuartigen DSMs bestätigen die Verbesserung der Filmqualität und der Transistorperformance durch passende DSMs. Da zu vermuten ist, dass DSMs sowohl den Wachstumsprozess als auch die Fallenzustandverteilung beeinflussen wurde sowohl das Wachstum als auch der Ladungsträgertransport eingehend untersucht. Im Falle des Schichtwachstums von Perylen konnte der Einfluss verschiedener DSMs nachgewiesen werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Änderung in der Adhäsionsenergie, die mit einer bestimmten DSM einhergeht, die Diffusion von Molekülen auf der Oberfläche beeinflusst. Die Diffusion der Moleküle wiederum beeinflusst die Filmqualität. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die Balance zwischen Adhäsion und Kohäsion für das Wachstum der ersten Monolagen von Bedeutung ist. Der Einfluss von DSMs auf die Fallenzustandsverteilung wurde analysiert. Um alle in Perylen TFTs auftretenden zeit- und temperaturabhängigen Effekte konsistent zu beschreiben wurde ein Model entwickelt. Dieses Model sagt die Existenz eines besonderen Fallenzustandes voraus. Ein Landungsträger benötigt sowohl Energie um in diesen Fallenzustand zu gelangen als auch um aus diesem Fallenzustand befreit zu werden. Mit Hilfe einer Version der sogenannten Temperaturstimulierten Strommessung konnte die Existenz des Zustandes nachgewiesen werden. Es konnte gezeigt werden, dass Fallenzustände einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit von OTFTs haben und dass DSMs die Fallenzustandsverteilung beeinflussen.

When Bardeen, Shockley and Brattain produced the first prototype transistor in 1947 no one could have imagined the invention's impact on today's life. It was the advances in thin-film technology which paved the way for the transistor to wide range applicability. Organic semiconductors have been subject to research since the early 1960s. In the mid 1980s, the research on organic semiconductors took another leap forward when Karl, Warta and Stehle published their research on ultrapure, high mobility organic photoconductors and on charge carrier transport in organic conductors. Organic electronics have entered everyday life as organic light-emitting diodes (OLEDs) can nowadays be found in a variety of applications. While OLEDs have accomplished the step from basic research to market readiness with sales exceeding $ 1B/yr in 2008, organic thin-film transistors (OTFTs) still lag behind. Nevertheless they are intensively studied as the material of choice in active matrix devices for flexible displays. One of the reasons for the absence of commercial OTFT applications is their slow switching speed due to low charge carrier mobility. The application of so-called dielectric surface modification (DSM) is one pathway towards high performance thin-film OTFTs. DSMs, which are based on organic molecules forming self-assembling monolayers or polymeric dielectrics, are studied due to their huge impact on OTFT device performance and on the film perfection of organic semiconductor thin-films. The appropriate choice of DSMs enables the combination of an arbitrary organic semiconductor with any substrate materials. Hence, the key factor to high performance and film perfection is the educated choice of thin and easily applicable DSM. However, the reason for the performance enhancement is not yet understood. This hinders the development of DSMs for high performance OTFTs. In this thesis two systematic approaches will be presented. DSMs were chosen by knowledge, which means that suitable DSMs were identified by a knowledge driven process. In addition, novel dielectrics were designed and synthesized specifically for this thesis. In case of DSMs chosen by knowledge, we were able to show that different DSMs can be classified into three types: low adhesion DSMs, high adhesion DSMs and intermediate DSMs. Perlyene films produced on low adhesion DSMs grow in highly textured films with large grains while perylene films produced on high adhesion DSMs show a perturbed growth mode which leads to an inferior film quality. The film quality of perylene films grown on intermediate DSMs lies between these two extremes. Furthermore, the measurements show that perylene OTFTs based on low adhesion DSMs outperform all other perylene based OTFTs. The application of novel dielectrics, based on derivates of tridecyltrichlorosilane (TTS) with different functional end-groups aimed at the specific tailoring of the adhesion energy, which is assumed to be the major factor in producing high performance OTFTs. The experiments confirm the importance of an educated choice of an appropriate DSM. We were able to tailor the adhesion energy of perylene molecules on a substrate by the application of deliberately designed DSMs. It was confirmed that perylene based OTFTs on carefully chosen DSMs outperform TFTs without DSM in terms of charge carrier mobility and film quality. This is indicative for an influence of the DSMs on the trap-state distribution and on the thin-film formation process. Both influences were investigated in detail. In case of the thin-film formation process, the influence of DSMs on film perfection was unraveled. We were able to show that the difference in adhesion energy for different DSMs influences the diffusivity. This is also influencing the island density and hence the film perfection. Furthermore, the influence of the balance between adhesion and cohesive energy on the growth of the first monolayers was demonstrated. The influence of DSMs on the trap-state distribution at the DSM/organic interface was investigated in detail. To explain all observed time- and temperature dependent effects in perylene TFTs, a model was developed that predicts the existence of states in the vicinity of the perylene HOMO level that need energy in order to be filled and in order to be emptied. By the application of a novel variation of temperature stimulated current (TSC) we were able to confirm the existence of this energy level. It was shown that the existence of trap states has a huge impact on charge carrier transport and in turn on device performance and that different DSMs lead to a different trap state density and distribution.

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