Influence of deposition parameters on morphology, growth and structure of crystalline and amorphous organic thin films [Elektronische Ressource] : (the case of perylene and {α-NPD [alpha-NPD]) / vorgelegt von Phenwisa Niyamakom

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• Publié le: 01 janvier 2008
• Nombre de lectures: 19
• Langue: English
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Extrait

In uence of deposition parameters
on morphology, growth and structure of
crystalline and amorphous organic thin lms
{
(the case of perylene and -NPD)
Von der Fakult at fur Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
der RWTH Aachen University zur Erlangung des akademischen Grades
einer Doktorin der Ingenieurwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
Diplom-Ingenieurin Phenwisa Niyamakom
aus Bangkok/Thailand
Berichter: Universit atsprofessor Dr. Matthias Wuttig
Professor Dr. Michael Heuken
Tag der mundlic hen Prufung: 20. Juni 2008
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek
online verfugbar.Abstract
A growing research e ort in organic electronics has been developped rapidly to utilize
the electronic and optical properties of organic materials (polymers and oligomers) and
hybrids (organic-inorganic composites) through novel material synthesis, thin lm de-
position techniques and many mores [1{9]. Several applications, e.g. organic thin lm
transistors (OTFTs) and organic light emitting devices (OLEDs), have been envisioned in
both academic research and industry. An understanding of thin lm growth is crucial to
tailor surface morphologies and organic lm properties suitable for speci c applications.
In OTFTs, the highest possible electron mobilities are desired. Typically, the conductivity
in crystalline organic materials is anisotropic and strongly depends upon the electronic
coupling between the neighboring molecules in the di erent crystallographic directions.
Therefore, highly textured crystalline organic thin lms are required for electronic ap-
plications. In OLEDs, the absence of long-range order in amorphous lms can result in
smooth surfaces and e cient radiative recombination, which allows for the realization
of high performance organic optoelectronic devices [1, 10]. Amorphous organic thin lm
hence are preferable in this case.
In this dissertation, the growth, morphology and structure of organic thin lms both of
crystalline and amorphous lms has been investigated. For the crystalline organic thin
lm growth in the case of perylene, we focus on two di erent topics, i.e. temperature
dependence of dislocation formation in perylene lms and the temperature dependence
of perylene thin lm growth on gold substrate. The temperature dependence of dislo-
cation formation in perylene lms has been studied to obtain a better understanding
of dislocation-assisted growth in perylene lms upon changing substrate temperatures.
The surface morphology and structural properties have been studied by atomic force mi-
croscopy (AFM) and X-ray di ractometry (XRD). Subsequently, for the study of the
temperature dependence of perylene thin lm growth on gold substrates, molecular vi-
brations in the perylene lms are studied and related to structural properties, including
surface morphology, as investigated by Fourier transform infrared spectroscopy (FT-IR),
XRD and AFM, respectively.
In a subsequent chapter for the amorphous organic thin lm growth in the case of -
NPD, two di erent deposition techniques, Organic Vapor Phase Deposition (OVPD) and
Vacuum Thermal Evaporation (VTE), were chosen. A study of the in uence of deposi-
tion parameters, on lm properties has been performed. Subsequently, AFM and X-ray
re ectometry (XRR) have been employed to investigate lm morphology and structural
properties.
IIIKurzfassung
Innerhalb der organischen Elektronik stieg der Forschungsaufwand mit dem Ziel der
Erschlie ung der elektronischen und optischen Eigenschaften von organischen Materialien
(Polymere und Oligomere), hybriden Materialien (neue organisch-anorganische Komposit
-Materialien durch Synthese), dem Dunnsc hicht-Aufdampfverfahren und vielen anderen
[1{9]. Zahlreiche Anwendungen wie Beispielsweise organische Dunnsc hichttransistoren
(OTFTs) und organische Leuchtdioden (OLEDs) haben sich in akademischer und indus-
trieller Forschung vergegenw artigt. Ein Verst andnis fur das Wachstum von Dun nschichten
ist entscheidend fur die Erzeugung von Ober achenmorphologien und von organischen
Schichten die Eigenschaften besitzen, die auf spezi sche Anwendungen angepasst sind.
In OTFTs wird die gr o tm ogliche Mobilit at von Elektronen erwunsc ht. Typischerweise
ist die Leitf ahigkeit kristalliner organischer Materialien anisotrop und h angt stark von
der elektronischen Kupplung mit den benachbarten Molekuhlen in den verschiedenen
kristallographischen Richtungen ab. Aus diesem Grund sind hoch geordnete kristalline
organische Dunnsc hichten fur elektronische Anwendungen erforderlich. Bei OLEDs kann
die Abwesenheit von weitr aumigen Anordnungen der amorphen Schichten in einer glat-
ten Ober ache und einer e zienten Strahlungsrekombination resultieren. Diese erlaubt
die Verwirklichung von organisch-optoelektronischen Hoch-Performance-Bauteilen [1,10].
Daher sind amorphehe Dunnsc hichten in diesem Falle zu bevorzugen.
In dieser Dissertation wurden Wachstum, Morphologie und Struktur von sowohl
kristallinen als auch amorphen organischen dunnsc hichtigen Ober achen untersucht.
Fur das Wachstum kristallinerher Ober achen im Fall von Perylen betra-
chten wir zwei verschiedene Themen: die Temperaturabh angigkeit von Dislokationen
in Perylen-Schichten und die Temperaturabh angigkeit des Wachstums dunnsc hichtiger
Phichten auf Goldsubstrat. Die Temperaturabh angigkeit von Dislokatio-
nen in Perylen-Schichten wurde untersucht, um ein besseres Verst andnis von Spiral-
Wachstumsmechanismen in Perylen-Schichten bei variierenden Substrattemperaturen zu
erhalten. Ober achenmorphologie und Struktureigenschaften wurden mit Hilfe von
Rasterkraftmikroskopie (AFM) und R ontgenbeugung (XRD) untersucht. Anschie end
wurden fur die Studie der Temperaturabh angigkeit des Wachstums dunner Perylen-
Schichten auf Goldsubstraten die molekularen Schwingungen von Perylen-Schichten un-
tersucht und mit den strukturellen Eigenschafen in Bezug gebracht. Dies schlie t auch
Ober achenmorphologie mit ein, untersucht durch FT-IR (Fourier-Transform-Infrarot-
Spektroskopie), XRD und AFM.
IIIIV
In dem folgenden Kapitel ub er das Wachstum amorpher organischer Dunnsc hichten im
Fall von -NPD wurden zwei verschiedene Depostitionstechniken ausgew ahlt. Es han-
delt sich um Vakuumthermische Verdampfung (VTE) und organische Gasphaseabschei-
dung (OVPD). Eine Untersuchung ub er den Ein uss der Abscheidungsparameter auf die
Schichteigenschaften wurde durchgefuhrt. Anschie end wurde mit Hilfe von AFM und
der R ontegenre ektrometrie (XRR) Ober achenmorphologie und Struktureigenschaften
untersucht.Contents
Abstratct I
Kurzfassung II
1 Introduction 5
1.1 Historical perspectives . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.2 Organic electronics: The next paradigm after the end of Moore’s law ? . . 6
1.3 Applications of organic electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2 Basic concepts of thin lm growth 9
2.1 Theory of lm growth: Energetics aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.1.1 Surface free energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.2 Contact angle measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.1.3 Bauer’s criterion and crystalline growth modes . . . . . . . . . . . . 14
2.2 Theory of lm growth: Kinetic aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.2.1 Phase transformation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.2.2 Reduced glass transition temperature . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.3 Supersaturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.2.4 Gas impingement on a surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.2.5 Sticking coe cient and surface coverage . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.2.6 Condensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
2.2.7 Processes in adsorption: Chemisorption and Physisorption . . . . . 21
2.2.8 Surface di usion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
2.3 Nucleation and growth of two-dimensional islands . . . . . . . . . . . . . . 22
2.3.1 Rate equation theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.4 Self-assembled monolayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.5 Spiral growth - Dislocation assisted growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.5.1 BCF theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.6 Amorphous thin lm growth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.6.1 Theoretical modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3 Organic solids 37
3.1 Organic molecules with -electron systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2 Intermolecular forces inside organic molecular crystal and thin lm . . . . 39
3.3 Speci c considerations to organic thin lm growth . . . . . . . . . . . . . . 40
12 Contents
3.4 Perylene: Crystal and molecular structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
3.5 Organic small molecule: -NPD . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
4 Thin lm deposition techniques 45
4.1 Process steps of thin lm deposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.1 Source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
4.1.2 Transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47
4.1.3 Deposition . . . . . . . . . . . . . . .