Organic molecular crystals [Elektronische Ressource] : from thin-films to devices / Christian Effertz

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2011
• Nombre de lectures: 23
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Extrait

Organicmolecularcrystals:fromthin-filmstodevices
Investigationofthin-filmformationandelectronictransport
propertiesofpolycrystallineperylenefilms
VonderFakultätfürMathematik,InformatikundNaturwissenschaften
derRWTHAachenUniversityzurErlangungdesakademischenGrades
einesDoktorsderNaturwissenschaftengenehmigteDissertation
vorgelegtvon
Diplom-Physiker
ChristianEffertz
ausNeuss
Berichter:
UniverstitätsprofessorDr.MatthiasWuttigDr.HeidrunHeinke
TagdermündlichenPrüfung:09.05.2011
DieseDissertationistaufdenInternetseitenderHochschulbibliothekonlineverfügbar.iiAbstract
WhenBardeen,ShockleyandBrattainproducedthefirstprototypetransistorin1947noonecould
haveimaginedtheinvention’simpactontoday’slife.Th enewinventionfirstwasslowinreplacing
thevacuumtubescommonlyusedthen.Itweretheadvancesinthin-filmtechnologywhichpaved
thewayforthetransistortowiderangeapplicability.
Organicsemiconductorshavebeensubjecttoresearchsincetheearly1960s.Inthemid1980s,the
researchonorganicsemiconductorstookanotherleapforwardwhengermanresearchersKarl,Warta
andStehlepublishedtheirresearchonultrapure,highmobilityorganicphotoconductorsandoncharge
carriertransportinorganicconductors.
Organicelectronicshaveenteredeverydaylifeasorganiclight-emittingdiodes(OLEDs)can
nowadaysbefoundinavarietyofapplications.WhileOLEDshaveaccomplishedthestepfrombasic
researchtomarketreadinesswithsalesexponentiallygrowingandexceeding$1B/yrin2008,organic
thin-filmtransistorsstilllagbehind.Neverthelesstheyareintensivelystudiedasthematerialofchoice
inactivematrixdevicesforflexibledisplaysorinlow-costRFID(Radio-Frequency-Identification)
tags.However,itisonlythecombinationofOLEDandOTFTwhichrevealsthepotentialofthe
materialclass.AsbothOLEDandOTFTmaterialscanbeprocessedatlowtemperatures,anewclass
ofsubstratesbecomesfeasibleenablingtheproductionofultra-thin,transparentandflexibledisplays.
OneofthereasonsfortheabsenceofcommercialOTFTapplicationsistheirslowswitchingspeed
duetolowchargecarriermobility.Th eapplicationofso-calleddielectricsurfacemodification(DSM)
isonepathwaytowardshighperformancethin-filmOTFTs.DSMs,whicharebasedonorganic
moleculesformingself-assemblingmonolayersorpolymericdielectrics,arestudiedduetotheirhuge
impactonOTFTdeviceperformanceandonthefilmperfectionoforganicsemiconductorthin-films.
Th eappropriatechoiceofDSMsenablesthecombinationofanarbitraryorganicsemiconductors
withanysubstratematerials.Hence,thekeyfactortohighperformanceandfilmperfectionisthe
educatedchoiceofthinandeasilyapplicableDSM.
However,thereasonfortheperformanceenhancementisnotyetunderstood.Th ishindersthe
developmentofDSMsforhighperformanceOTFTs.Inthisthesistwosystematicapproacheswillbe
presented.DSMswerechosenbyknowledge,whichmeansthatsuitableDSMswereidentifiedbya
knowledgedrivenprocess.Inaddition,noveldielectricsweredesignedandsynthesizedspecifically
forthisthesis.IncaseofDSMschosenbyknowledge,wewereabletoshowthatdifferentDSMscan
iiibeclassifiedintothreetypes:lowadhesionDSMs,highadhesionDSMsandintermediateDSMs.
PerlyenefilmsproducedonlowadhesionDSMsgrowinhighlytexturedfilmswithlargegrains
whileperylenefilmsproducedonhighadhesionDSMsshowaperturbedgrowthmodewhichleads
toaninferiourfilmquality. Th efilmqualityofperylenefilmsgrownonintermediateDSMslies
betweenthesetwoextrema.Furthermore,themeasurementsshowthatperyleneOTFTsbasedon
lowadhesionDSMsoutperformallotherperylenebasedOTFTs.
Th eapplicationofnoveldielectrics,basedonderivatesoftridecyltrichlorosilane(TTS)withdifferent
functionalend-groupsaimedatthespecifictailoringoftheadhesionenergy,whichisassumedtobe
themajorfactorinproducinghighperfomanceOTFTs.Th eexperimentsconfirmtheimportanceof
aneducatedchoiceofanappropriateDSM.Wewereabletotailortheadhesionenergyofperylene
moleculesonasubstratebytheapplicationofdeliberatelydesignedDSMs.Itwasconfirmedthat
perylenebasedOTFTsoncarefullychosenDSMsoutperformTFTswithoutDSMintermsofcharge
carriermobiltyandfilmquality. Th isisindicativeforaninfluenceoftheDSMsonthetrap-state
distributionandonthethin-filmformationprocess.Bothinfluenceswereinvestigatedindetail.
Incaseofthethin-filmformationprocess,theinfluenceofDSMsonfilmperfectionwasunraveled.
WewereabletoshowthatthedifferenceinadhesionenergyfordifferentDSMsinfluencesthe
diffusivity.Th isisalsoinfluencingtheislanddensityandhencethefilmperfection.Furthermore,the
influenceofthebalancebetweenadhesionandcohesiveenergyonthegrowthofthefirstmonolayers
wasdemonstrated.
Th einfluenceofDSMsonthetrap-statedistributionattheDSM/organicinterfacewasinvestigated
indetail.Toexplainallobservedtime-andtemperaturedependendeffectsinperyleneTFTs,amodel
wasdevelopedthatpredictstheexistenceofstatesinthevicinityoftheperyleneHOMOlevelthat
needenergyinordertobefilledandinordertobeemptied.Bytheapplicationofanovelvariationof
temperaturestimulatedcurrent(TSC)wewereabletoconfirmtheexistenceofthisenergylevel.It
wasshownthattheexistenceoftrapstateshasahugeimpactonchargecarriertransportandinturn
ondeviceperformanceandthatdifferentDSMsleadtoadifferenttrapstatedensityanddistribution.
Hence,theoriginofboththeperformanceenhancementandthehighthin-filmperfectionof
perylenebasedOTFTsonlowadhesionDSMswasidentified.
ivKurzfassung
DeutscheÜbersetzungdesOriginaltitels:
OrganischeMolekülkristalle: vondünnenSchichtenzuBauelementen
AlsBardeen,ShockleyundBrattainimJahr1947denerstenTransistorproduziertenkonntesich
nochniemandvorstellen,dassdieserPrototypeinenweitreichendenEinflussaufunserenheutigen
Alltaghabenwürde.DiezudieserZeitgenutztenVakuumröhrenwurdennurlangsamdurchdie
neueErfindungabgelöst.ErstdasVoranschreitenderDünnschichttechnologiebedeuteteauchden
BeginndesbisheutewährendenTriumphzugesdesTransistors.OrganischeHalbleiterstehenschon
seitAnfangdersechzigerJahredesvorherigenJahrhundertsimBlickpunktderForschung.Mitte
derachtzigerJahrewarenesdiedeutschenForscherKarl,WartaundStehle,diemitPublikationen
zu"ultrareinenFotoleiternmithoherLadungsträgermobilität"undzum"Ladungsträgertransport
inorganischenLeitern"derForschunganorganischenMaterialenzueinemweiterenAufschwung
verhalfen.MittedeserstenJahrzehntsdes21.JahrhundertswurdenorganischeMaterialienmehr
oderwenigerunbemerkteinTeildesAlltags.OrganischeLeuchtdioden(OLED)werdenheutzutage
ineinerVielzahlvonProduktenwieHandysundFotokamerasverkauft,derUmsatzvonOLEDs
überschrittimJahr2008dieEineMilliardeDollarMarke.AndiesemkommerziellenErfolgkönnen
organischeDünnschichttransistorennochnichtteilhaben.Dennoch-odergeradedeswegen-sind
sieeinObjektaktuellerForschungdasiesich,voralleminKombinationmitOLED,hervorragend
alssogenannten"aktiveMatrizen"alsoalsSchaltzentralefürflexibleDisplayseignen. Einerder
GründefürdiebisherigeAbwesenheitvonOTFTsinkommerziellenProduktenistdievergleich-
sweiselangsameSchaltgeschwindigkeit,welcheinderniedrigenLadungsträgermobilitätbegründet
ist.EineMöglichkeit,dieSchaltgeschwindigkeitzuverbessern,sindsogenannteDielektrischeOber-
flächenModifikationen(DSMs).DSMsbasierenaufsehrdünnenorganischenSchichten,dieim
TransistorzwischenDielektrikumundorganischemLeitereingebrachtwerden.Siehabeneinen
großenEinflussaufdieLeistungsfähigkeitvonOTFTsundaufdieFilmperfektionderorganischen
Dünnschichten. AußerdemermöglichenDSMsdieKombinationeinesbeliebigenSubstratsmit
einembeliebigenorganischenLeitermaterial.SiesindsomiteinerderHauptfaktorenfürdiePro-
duktionvonkonkurrenz-undleistungsfähigenDünnschichttransistoren.Obwohlinderheutigen
ForschungoftmalsangewendetistderGrundfürdieLeistungssteigerungdurchDSMsbisheute
nichtverstanden.DasbehindertdieEntwicklungneuartigerDSMsfüreineneueGenerationvon
vOTFTsdrastisch. IndieserArbeitwerdenzweisystematischeAnsätzevorstellt,indenenDSMs
gezieltfürdieAnwendunginOTFTsausgewähltodersogarneuentwickeltwordensind.ImRahmen
deserstenAnsatzeswurdenpassende,kommerziellerhältlicheDSMsausgewählt,welcheindrei
Gruppeneingeteiltwerdenkonnten:DSMsmitniedrigerAdhäsionsenergie(immerbezogenaufdie
AdhäsionzwischenderOberflächenmodifikationundderaktivenPerylenschicht),DSMsmithoher
AdhäsionsenergieundDSMsmitmittlererAdhäsionsenergie.PerylenDünnschichten,welcheauf
DSMsmitniedrigerAdhäsionsenergieaufwuchsenzeigeneineguteTexturierungundgroßflächige
Kristallite.ImGegensatzdazuzeigenPerylenDünnschichten,welcheaufDSMsmithoherAdhä-
sionsenergieproduziertwordensindeinegestörtesWachstumsverhaltenwelcheszueinerschlechten
Dünnschichtqualitätführte.DesWeiterenkonntegezeigtwerden,dassOTFTs,welcheaufDSMsmit
niedrigerAdhäsionsenergieproduziertwordensind,eindeutlichverbessertesLeistungsvermögen
gegenüberOTFTsohneDSMzeigen.
DieAnwendungvonneuartigenDSMs,welcheaufDerivatendesMolekülsTridecyltricholosilan
basierten,ermöglichtediegezielteBeeinflussderAdhäsionsenergie.DieseExperimentebestätigten
dieWichtigkeiteinergezieltenWahlderpassendenDSM.MitspeziellaufunsereBedürfnissehin
hergestelltenDSMswarenwirinderLagedieAdhäsionsenergiezwischenDSMundPerylengezielt
einzustellen.DieExperimentemitdenneuartigenDSMsbestätigendiedeutlicheVerbesserungder
FilmqualitätundderTransistorperformancedurchpassendeDSMs.Dazuvermutenist,dassDSMs
sowohldenWachstumsprozessalsauchdieFallenzustandverteilungbeeinflussenwurdesowohldas
Dün