Transient optical and electrical effects in polymeric semiconductors [Elektronische Ressource] / by Sebastian Bange

Bange, Sebastian

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• Publié le: 01 janvier 2009
• Nombre de lectures: 9
• Langue: English
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Extrait

Transient Optical and Electrical Effects in Polymeric
Semiconductors
Dissertation
in partial fulfilment of the
requirements of the degree of
doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat)
in Physics
Submitted to the
Faculty of Mathematics and Natural Sciences
of the University of Potsdam
by
SEBASTIAN BANGE
Potsdam, May 28, 2009This work is licensed under a Creative Commons License:
Attribution - Noncommercial - Share Alike 3.0 Germany
To view a copy of this license visit
http://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/3.0/de/deed.en













































Published online at the
Institutional Repository of the University of Potsdam:
URL http://opus.kobv.de/ubp/volltexte/2009/3631/
URN urn:nbn:de:kobv:517-opus-36314
[http://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:517-opus-36314] Transiente Optische und Elektrische Effekte in Polymeren
Halbleitern
Doktorarbeit
zur Erlangung des akademischen Grades
doctor rerum naturalium
(Dr. rer. nat)
in der Wissenschaftsdisziplin Physik“
”
eingereicht an der
Mathematisch-Naturwissenschaftlichen Fakultat¨
der Universitat¨ Potsdam
von
SEBASTIAN BANGE
Potsdam, den 28. Mai 2009Abstract
Classical semiconductor physics has been continuously improving electronic components
such as diodes, light-emitting diodes, solar cells and transistors based on highly purified
inorganic crystals over the past decades. Organic semiconductors, notably polymeric, are
a comparatively young field of research, the first light-emitting diode based on conjugated
polymers having been demonstrated in 1990. Polymeric semiconductors are of tremendous
interestforhigh-volume,low-costmanufacturing(“printedelectronics”). Duetotheirrather
simple device structure mostly comprising only one or two functional layers, polymeric
diodes are much more difficult to optimize compared to small-molecular organic devices.
Usually, functions such as charge injection and transport are handled by the same mate-
rial which thus needs to be highly optimized. The present work contributes to expanding
the knowledge on the physical mechanisms determining device performance by analyzing
the role of charge injection and transport on device efficiency for blue and white-emitting
devices, based on commercially relevant spiro-linked polyfluorene derivatives. It is shown
that such polymers can act as very efficient electron conductors and that interface effects
such as charge trapping play the key role in determining the overall device efficiency. This
work contributes to the knowledge of howcharges drift through the polymer layer to finally
find neutral emissive trap states and thus allows a quantitative prediction of the emission
color of multichromophoric systems, compatible with the observed color shifts upon driving
voltage and temperature variation as well as with electrical conditioning effects. In a more
methodically oriented part, it is demonstrated that the transient device emission observed
uponterminatingthedrivingvoltagecanbeusedtomonitorthedecayofgeminately-bound
species as well as to determine trapped charge densities. This enables direct comparisons
withnumericalsimulationsbasedontheknownpropertiesofchargeinjection,transportand
recombination. The method of charge extraction under linear increasing voltages (CELIV) is
investigatedinsomedetail, correctingforerrorsinthepublishedapproachandhighlighting
the role of non-idealized conditions typically present in experiments. An improved method
is suggested to determine the field dependence of charge mobility in a more accurate way.
Finally, it is shown that the neglect of charge recombination has led to a misunderstanding
of experimental results in terms of a time-dependent mobility relaxation.Zusammenfassung
Klassische Halbleiterphysik beschaftigt¨ sich bereits seit mehreren Jahrzehnten erfolgreich
mit der Weiterentwicklung elektronischer Bauteile wie Dioden, Leuchtdioden, Solarzellen
und Transistoren auf der Basis von hochreinen anorganischen Kristallstrukturen. Im Gegen-
satz hierzu ist das Forschungsgebiet der organischen, insbesondere der polymeren Halb-
leiter noch recht jung: Die erste Leuchtdiode auf der Basis von leitfahigem¨ Plastik“ wur-
”
de erst 1990 demonstriert. Polymere Halbleiter sind hierbei von besonderem Interesse fur¨
hochvolumige Anwendungen im Beleuchtungsbereich, da sie sich kostengunstig¨ herstellen
und verarbeiten lassen ( gedruckte Elektronik“). Die vereinfachte Herstellung bedingt da-
”
bei eine vergleichsweise geringe Komplexitat¨ der Bauteilstruktur und verringert die Opti-
mierungsmoglichkeiten.¨ Die vorliegende Arbeit leistet einen Beitrag zum Verstandnis¨ der
Vorgange¨ an Grenzflachen¨ und im Volumen von polymeren Leuchtdioden und ermoglicht¨
damit ein besseres Verstandnis¨ der Bauteilfunktion. Im Fokus steht hierbei mit einem spiro-
verknupften¨ Polyfluorenderivat ein kommerziell relevanter Polymertyp, der amorphe und
hochgradig temperaturstabile Halbleiterschichten bildet. Ausgehend von einer Charakteri-
sierung der Ladungstransporteigenschaften wird im Zusammenspiel mit numerischen Si-
mulationen der Bauteilemission gezeigt, welche Rolle die polymeren und metallenen Kon-
taktelektroden fur¨ die Bauteilfunktion und -effizienz spielen. Des Weiteren wird ein weiß-
emittierendes Polymer untersucht, bei dem die Mischung von blauen, grunen¨ und roten
Farbstoffendie Emissionsfarbebestimmt. Hierbeiwirddas komplexeWechselspiel ausEner-
gieubertrag¨ zwischen den Farbstoffen und direktem Ladungseinfang aufgeklart.¨ Es wird ein
quantitatives Modell entwickelt, das die beobachtete Verschiebung der Emissionsfarbe un-
ter wechselnden elektrischen Betriebsparametern erklart¨ und zusatzlich¨ die Vorhersage von
Temperatur- und Konditionierungseffekten ermoglicht.¨ Ausgehend von leicht
messbarenParameternwieStromstarken¨ undEmissionsspektrenermoglicht¨ esRuckschl¨ usse¨
auf mikroskopische Vorgange¨ wie die Diffusion von Ladungen hin zu Farbstoffen. Es wird
gezeigt, dass im Gegensatz zu bisherigen Erkenntnissen der Ladungseinfang durch Drift im
elektrischenFeldgegenuber¨ derDiffusionuberwiegt.¨ Ineinemehermethodischorientierten
Teil zeigt die Arbeit, wie die beim Abschalten von Leuchtdioden beobachtbare Emission da-
zu verwendet werden kann, Erkenntnisse zu Ladungsdichten wahrend¨ der Betriebsphase zu
gewinnen.Eswirdabschließendnachgewiesen,dasseinegangige¨ MethodezurBestimmung
von Ladungsbeweglichkeiten unter typischen Messbedingungen fehlerbehaftet ist. Ergeb-
nisse,diebisheralseinezeitlicheRelaxationderBeweglichkeitinungeordnetenHalbleitern
interpretiertwurden,konnen¨ damitaufdieRekombinationvonLadungenwahrend¨ derMes-
sung zuruckgef¨ uhrt¨ werden. Es wird außerdem gezeigt, dass eine Modifikation der bei der
AuswertungverwendetenAnalytikdiegenauereVermessungderFeldstarkeabh¨ angigkeit¨ der
Beweglichkeit ermoglicht.¨Contents
Introduction 1
Polymeric Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
Outline of the Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1 Fundamentals 5
1.1 Charge Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.3 Charge Recombination and Electroluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.4 White Emission from Organic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2 Charge Transport in a Blue-emitting Copolymer 15
2.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2 Time-of-flight Photocurrent Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3 Transient Electroluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
3 Charge Injection and Electrical Conditioning Effects 33
3.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.2 Charge Injection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
3.3 Numerical Simulation of Device Behavior . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.4 The Role of Electron Blocking and Device Conditioning . . . . . . . . . . . . 51
3.5 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
4 Emission Color and Charge Trapping 55
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.2 Energy Transfer and its Impact on Emission Color . . . . . . . . . . . . . . . 55
4.3 Charge Transport and Deep Trapping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
4.4 Color Balance in Electroluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.5 Charge Density Effects on the Emission Color . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.6 Temperature Effects on the Color . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
4.7 Anode Interface Conditioning Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . .