Electrical scanning probe microscopy on organic optoelectronic structures [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Stefan Weber

Stefan Weber

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• Publié par: johannes_gutenberg-universitat_mainz
• Publié le: 01 janvier 2010
• Nombre de lectures: 27
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 36 Mo

Extrait

Electrical Scanning Probe Microscopy
on Organic Optoelectronic Structures
Dissertation
zur Erlangung des Grades
Doktor der Naturwissenschaften\
"
am Fachbereich Physik, Mathematik und Informatik
der Johannes-Gutenberg-Universitat in Mainz
vorgelegt von
Stefan Weber
geboren in Trier
Mainz, den 26. August 2010\I am a rm believer that without speculation
there is no good and original observation."
Charles R. Darwin in a letter to Alfred R. Wallace,
December 22nd, 1857Zusammenfassung
Im Bereich der organischen Optoelektronik hat die mikro- und nanoskopische Struk-
tur der Materialien einen gro en Einuss auf die Leistungsf ahigkeit der Bauteile. In
diesem Bereich gewinnen rasterkraftmikroskopische Methoden (SFM) immer mehr
an Bedeutung. Neben topographischer Information konnen zahlreiche andere Ober-
acheneigenschaften wie elektrische Leitfahigkeit (Leitfahigkeits-Rasterkraftmikros-
kopie, C-SFM) oder Oberachenpotentiale (Kelvinsondenmikroskopie, KPFM) mit
Auosungen im Bereich von Nanometern gemessen werden.
Im Rahmen dieser Arbeit wurden die SFM basierten elektrischen Betriebsmodi ver-
wendet um den Zusammenhang zwischen Morphologie und den elektrischen Eigen-
schaften in optoelektronischen Hybridstrukturen zu erforschen. Diese Strukturen
wurden in der Gruppe von Prof. J. Gutmann (MPI-P Mainz) entwickelt. Konkret
wurde ein neuartiges Nanokomposit fur eine integrierte Elektronen-Barriereschicht
untersucht. Eine Struktur von elektrisch leitfahigen Pfaden entlang kristalliner TiO - 2
Partikeln in einer isolierenden Schicht aus einer Keramik wurde gefunden. Daruber
hinaus konnten Defektstrukturen identiziert werden. Um die interne Struktur einer
funktionsfahigen Hybridsolarzelle zu untersuchen, wurde eine Bruchkante mit einem
fokussierten Ionenstrahl poliert. Mittels C-SFM konnten die funktionalen Schichten
identiziert und die Transporteigenschaften des neuartigen Kompositmaterials in
der aktiven Schicht untersucht werden.
Durch den Einsatz von C-SFM konnen weiche Oberachen dauerhaft zerstort wer-
den: (i) durch Krafte, die die Spitze ausubt, (ii) hohe elektrische Felder und (iii)
hohe Stromdichten im Bereich der Spitze. Aus diesem Grund wurde ein alternati-
ver Betriebsmodus basierend auf dem Torsion Mode in Kombination mit lokalen
Leitfahigkeitsmessungen eingefuhrt. Im Torsion Mode vibriert die Spitze lateral und
be ndet sich dabei sehr nahe an der Ober ache. Auf diese Weise kann ein elektri-
scher Kontakt zwischen Spitze und Probe hergestellt werden. In einer Reihe von
Referenzexperimenten auf Standardoberachen wurden grundlegende Aspekte der
Leitfahigkeits-Torsionsmikroskopie (SCTMM) untersucht. Daruber hinaus wurden
Proben mit Feldern aus freistehenden Nanosaulen aus einem halbleitenden Polymer
untersucht, die in der Gruppe von Dr. P. Theato (Universitat Mainz) entwickelt
wurden. Mittels SCTMM konnten die Strukturen zerstorungsfrei und hochauosend
abgebildet und die Leitfahigkeit von individuellen Nanosaulen gemessen werden.
vZusammenfassung
Zur Untersuchung lichtinduzierter E ekte in Nanostrukturen wurde ein neuer Kraft-
mikroskop-Aufbau mit einer Laser-Probenbeleuchtung konstruiert. Mit diesem Pho-
toelektrischen SFM wurde die Reaktion funktionalisierter Nanostabchen auf Be-
leuchtung untersucht. Dazu wurde in der Gruppe von Prof. R. Zentel (Universitat
Mainz) ein neuartiges Blockcopolymer mit einem Anker- und Farbsto block und
einem halbleitenden Polymerblock synthetisiert und kovalent an ZnO Nanostab-
chen gebunden. Dieses System stellt ein Elektronen Donot/Akzeptorsystem dar und
kann daher als ein Modell fur eine Solarzelle auf der Nanoebene angesehen werden.
Mittels KPFM auf beleuchteten Proben konnte die lichtinduzierte Ladungstrennung
zwischen Stab und Polymer nicht nur visualisiert, sondern auch quantiziert werden.
Die Ergebnisse zeigen, dass mittels elektrischer Rasterkraftmikroskopie fundamen-
tale Prozesse in optoelektronischen Nanostukturen untersucht werden konnen. Diese
Erkenntnisse liefern wertvolle Informationen an die synthetischen Chemiker, die ihre
Materialien nach diesen Aspekten weiter optimieren konnen.
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