h1

h2

h3

h4

h5
h6
http://join2-wiki.gsi.de/foswiki/pub/Main/Artwork/join2_logo100x88.png

Nucleation and growth of organic thin films on polymeric dielectrics = Nukleation und Wachstum organischer Dünnfilme auf polymeren Dielektrika



Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Dipl. Phys. Daniel Mokros, geb. Gebauer

ImpressumAachen 2016

Umfang1 Online-Ressource (148, XXXII Seiten) : Illustrationen, Diagramme


Dissertation, RWTH Aachen University, 2016

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University


Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
;

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2016-02-17

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2016-047697
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/659472/files/659472.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/659472/files/659472.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

  1. Lehrstuhl für Experimentalphysik I A und I. Physikalisches Institut (131110)
  2. Fachgruppe Physik (130000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
thin films (frei) ; perylene (frei) ; critical nucleus size (frei) ; dewetting (frei) ; PDMS (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
In den letzten Jahren hat sich das wissenschaftliche Interesse im Bereich der organischen Halbleiter stetig erhöht. Die besonderen Vorteile dieser Materialklasse liegen in ihrer oft vorhandenen mechanischen Flexibilität, niedrigen Produktionskosten und dem Potenzial transparente elektronische Anwendungen zu entwickeln. Erste Anwendungen im Bereich organischer Leuchtdioden (OLEDs) haben bereits die Marktreife erreicht und finden sich in Smartphones und Fernsehern wieder. Auch die Erforschung organischer Solarzellkonzepte führte zu einer kontinuierlichen Effizienzverbesserung. Die Verwirklichung effizienter organischer Dünnfilm-Transistoren gehört zu einem weiteren großen Ziel in der organischen Elektronik. Neue Entwicklungen auf diesem Gebiet erfordern ein tiefes Verständnis der physikalischen Eigenschaften aller beteiligter Materialien. Ein wichtiger Aspekt liegt hierbei in den Wachstumsmechanismen der Halbleiterdünnfilme. Aufgrund der komplexen Struktur und strukturellen Anisotropie organischer Moleküle, ist eine Verbesserung der kristallinen Ordnung im Dünnfilm ausschlaggebend für die elektrischen und optischen Eigenschaften.Ein vielversprechender Ansatz zur Kontrolle der Dünnfilmqualität in den frühen Wachstumsphasen liegt in der Modifikation der freien Oberflächenenergie des Substrats mittels polymerischer Dielektrika. Die Wechselwirkung zwischen Substrat und aktivem organischen Halbleitermaterial beeinflusst die Adhäsion und die Diffusion der Moleküle auf der Substratfläche. Für die weitere Potenzialausschöpfung des Ansatzes der Oberflächenenergie-Kontrolle ist es unerlässlich, ein mikroskopisches Verständnis der beteiligen Effekte aufzubauen. Hierfür wurde in dieser Arbeit eine detaillierte Studie durchgeführt, um die fundamentalen Wachstumsmechanismen des organischen p-Leiters Perylen auf polymerischen, dielektrischen Oberflächen zu verstehen und dabei ein konsistentes Wachstumsmodell entwickelt. Bei den ausgewählten dielektrischen Polymeren handelt es sich um Polymethylmethacrylat (PMMA), Polystyrol (PS) und Polydimethylsiloxan (PDMS). Diese drei ausgewählten Polymere decken einen kritischen Bereich im Adhäsionsverhalten von Perylen ab. Die Adhäsion von Perylen auf PMMA liegt hierbei über der Kohäsion von Perylen selbst, die sich wiederum mit der Adhäsion auf PS in Waage hält. Die Adhäsion auf PDMS hingegen liegt deutlich unterhalb der Kohäsion von Perylen. Siliziumdioxid diente bei der Studie als Referenzsubstrat. In dieser Arbeit wurde gezeigt, dass die Modifikation der Adhäsionsenergie nicht nur die Diffusionslängen der Moleküle auf dem Substrat beeinflusst, sondern auch die kritische Nukleationskeimgröße von Perylen. Die kritische Keimgröße ist ein zentraler Parameter zur Beschreibung der Inselformation beim Dünnfilmwachstum. Zwei Modelle wurden hierbei zur Bestimmung der kritischen Keimgröße herangezogen. Das erste Modell basiert auf der klassischen Theorie der Ratengleichungen. Das zweite Modell extrahiert die kritische Keimgröße durch die Analyse der Einfangzonen der Inseln. Die Anwendungen und der Vergleich beider Modelle lieferten für die kritischen Keimgrößen konsistente Resultate und es wurde gezeigt, dass die Keimgrößen mit größer werdender Adhäsion sinken. Das Regime niedriger Adhäsion auf PDMS weißt zusätzlich einen Übergang zu einem besonderem Wachstumsverhalten mit charakteristischen Morphologien und hoher kristalliner Ordnung auf. In dieser Arbeit wurde ein Wachstumsmodell entwickelt, das im Stande ist, die Inselformation auf PDMS zu erklären. Die beobachteten Eigenschaften der Perylenfilme auf PDMS wurden im wesentlichen einem Entnetzungs-Effekt zugeschrieben. Neben der flächigen Ausdehnung der Inseln und ihrer hohen kristallinen Ordnung, zeigt das PDMS-modifizierte System Hinweise auf eine polymorphe Phase von Perylen sowie Trichterwachstum und Kleeblattstrukturen. Zur Untersuchung, ob diese entnetzungsgetriebenen Effekte auf PDMS generisch für organische Dünnfilme sind, wurde ein weiteres aktives Material als Vergleichssystem herangezogen. Der n-Halbleiter PTCDI-C13 wurde in diesem Zusammenhang in seinen Wachstumseigenschaften charakterisiert. In einer ersten Studie wurde das Lagenwachstum auf Siliziumdioxid untersucht und anschließend mit dem Wachstum auf der niedrig adhäsiven PDMS-Modifikation verglichen. Bei Raumtemperatur zeigte PTCDI-C13 drei verschiedene Wachstumsregime auf Siliziumdioxid. Angefangen mit hoch geordnetem Lagenwachstum, zeigt das System Hinweise auf eine Dünnfilmphase. Anschließend steigt die Unordnung des Systems durch nicht perfektes Lagenwachstum und führt zu körnigen Inselstrukturen zwischen den verschiedenen Lagen. Diese polykristallinen Körner dominieren die Oberfläche bei größeren Schichtdicken. Dieser dreistufige Wachstumsübergang von Lagen- zu Inselwachstum kann durch genügende Zuführung thermischer Energie während oder nach der Deposition unterdrückt werden.Beim Vergleich zeigt sich bei PTCDI-C13 auf der PDMS-Modifikation eine deutliche Entnetzung,die Nadelstrukturen mit Längen von mehreren hundert Nanometern und potenziell hoher kristalliner Ordnung hervorrufen. Die nadelförmige Morphologie wird dabei einer lokalen thermischen Gleichgewichtsform zugeschrieben, die sich bei weiterem Nachheizen zu kompakteren 3D-Inseln umformiert, um die Benetzung des PDMS-Substrates weiter zu minimieren. Die Ergebnisse dieser Arbeit und der Vergleich zwischen dem Wachstum von Perylen und PTCDI-C13 auf PDMS demonstrieren den Einfluss von polymerischen Oberflächenmodifikationen und das Potenzial der systematischen Variation der Substrat-Oberflächenenergie. Es wurde gezeigt, dass hierdurch zentrale Parameter wie Diffusion und kritische Nukleationskeimgröße systematisch eingestellt werden können. Unterhalb einer kritischen Grenze, bei der die Kohäsion des aktiven Materials gegenüber der Adhäsion auf dem Substrat überwiegt, zeigte sich, dass sich durch Diffusion und Entnetzung kinetisch getriebene Morphologien und Kristallstrukturen erzeugen lassen, die neue Möglichkeiten dafür bieten, Dünnfilme für die elektronische Anwendung zu modifizieren.

During the last years, scientific attention on organic semiconductors has significantly increased. Major advantages of this material class are their usual mechanical flexibility, low cost production and the opportunity to develop transparent thin film devices. First devices using organic light emitting diodes (OLEDs) have reached market readiness and are applied in smart phone devices and TVs. The research on organic solar cell (OSC) concepts led to a significant increase in efficiency. The development of organic thin film transistors (OTFTs) is also a goal in the field of organic electronics. Further progress in this field demands an in-depth understanding of the respective physical material properties. One important aspect is given by the growth mechanisms of the semiconductor thin films. Due to the complex structures and structural anisotropies of organic molecules, an optimization of the crystalline order of the thin film is crucial for electronic and optical properties.One promising approach to control thin film quality at very early stages of growth, bases on the variation of the surface free energy (SFE) of the substrate via polymeric dielectric surface modifications (DSMs). The interaction between substrate and active organic semiconductor material impacts the adhesion and the diffusion of the molecules on the substrate surface. For further development of this approach of SFE control, it is crucial to get a microscopic pictureof the participating effects. Thus, a detailed study was performed in this thesis in order to reveal the fundamental growth mechanisms of the p-type semiconductor perylene on polymericdielectric surfaces and to develop a consistent growth model . The selected polymers are poly(methyl methacrylate) (PMMA), polystyrene (PS) and polydimethylsiloxane (PDMS). These three polymers cover a critical range in the adhesion of perylene. The adhesion of peryleneon PMMA lies above the cohesion energy of perylene itself, which is again comparable to the adhesion energy on PS. The adhesion energy on the PDMS substrate lies significantly below the cohesion of perylene. For this study, a silicon dioxide substrate served as reference system. In this work, it was revealed that the modification of the adhesion energy does not only determine the diffusion length of the molecules on the substrates, but also the critical nucleus size of perylene. The critical nucleus size is a central quantity for the description of the island formation during thin film growth. Two models were applied for the evaluation of the critical nucleus. The first model bases on classical rate equation theory. The second model extracts the critical nucleus size by applying capture zone analysis of the island distribution. The application and comparison of these two different theoretical models delivered consistent results regarding the nucleus size and it was clearly shown that it increases with decreasing adhesion energy of the substrate.The low adhesion regime on PDMS additionally exhibits a transition towards a very distinctive growth mode of perylene with characteristic morphologies and high crystalline order. In this work, a growth model was developed, which is able to explain the island formation on PDMS.The observed features of the perylene thin films on PDMS were mainly addressed to dewetting. Beside the large extend of the islands and a very high crystalline order, the PDMS-modified system exhibited indications for the formation of a polymorphic perylene phase and showed hopper growth and cloverleaf structures. In order to investigate if the dewetting driven growth effects on PDMS are more generic for organic thin films, a further active material was applied as comparator systems to perylene. The n-type semiconductor PTCDI-C13 was characterized in its growth properties. In a preliminary investigation, the distinctive layer-by-layer-growth on silicon dioxide was characterized and afterwards compared to the growth on the low adhesion DSM PDMS. At room temperature,PTCDI-C13 exhibited three different growth regimes on silicon dioxide. Starting with a highly ordered layer-by-layer growth, the system showed indications for a thin film phase. Later on, an increase of disorder was observed and exhibited grainy island structures between the layers due to imperfect layer growth. This polycrystalline grains dominate the whole surface for thick films.The growth transition can be suppressed by a sufficient amount of thermal energy during or after deposition. However, in the case of PTCDI-C13 the application of the PDMS modification causes significant dewetting effects, which result in the growth of needle structures with lengths of a few hundred nanometers. It appeared that these needle-like structures correspond to a local equilibrium form,which rearranges to compact 3D-islands via post-annealing to minimize contact to the PDMS substrate. The results of this thesis and the comparison between the growth of perylene andPTCDIC-13 on PDMS revealed the impact of DSMs and the potential of a systematic variation of the surface free energy. It has been shown, that the central growth parameters of diffusion and critical nucleus size can be tuned systematically. Below the critical limit, where the cohesion of the thin film is stronger than its adhesion on the substrate, significant dewetting mechanisms induce distinctive, kinetically driven morphologies, which lead to new opportunities for the application in electronic devices.

OpenAccess:
Download fulltext PDF Download fulltext PDF (PDFA)
(additional files)

Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis

Format
online

Sprache
English

Externe Identnummern
HBZ: HT019015682

Interne Identnummern
RWTH-2016-04769
Datensatz-ID: 659472

Beteiligte Länder
Germany

 GO


OpenAccess

QR Code for this record

The record appears in these collections:
Document types > Theses > Ph.D. Theses
Faculty of Mathematics, Computer Science and Natural Sciences (Fac.1) > Department of Physics
Publication server / Open Access
Public records
Publications database
130000
131110

 Record created 2016-06-22, last modified 2023-04-08