Systematic studies on structural and optical properties of organic thin films on inorganic substrates [Elektronische Ressource] / vorgelegt von Azadeh Farahzadi

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• Publié par: rheinisch-westfalischen_technischen_hochschule_-rwth-_aachen
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 8
• Langue: English
• Poids de l'ouvrage: 6 Mo

Extrait

Systematic Studies on
Structural and Optical Properties of
Organic Thin Films on Inorganic Substrates
Von der Fakult¨at fur¨ Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften
der Rheinisch-Westf¨alischen Technischen Hochschule Aachen
zur Erlangung des akademischen Grades einer
Doktorin der Naturwissenschaften genehmigte Dissertation
vorgelegt von
M.Sc. Azadeh Farahzadi
aus Ray, Iran
Berichter: Universit¨atsprofessor Dr. Matthias Wuttig
Universit¨a Dr. Stefan Blugel¨
Tag der mundlic¨ hen Prufung:¨ 1.Oktober.2007
Diese Dissertation ist auf den Internetseiten der Hochschulbibliothek online verfugbar¨ .III
To my parents, Behjat Golara and Hossein Farahzadi
who instilled in me the love of learningIVV
Abstract
Molecular organic compounds are employed as active materials in a variety of applica-
tions, including organic light emitting diodes (OLEDs) and organic thin film transistor
(OTFTs). These devices consisting of sequentially deposited layers of organic materials
have been demonstrated with active device thicknesses of only a few hundred nanome-
ters or less. For a better understanding and design of such devices, it is necessary to
understand the structural and optical properties of the organic thin films employed.
Polymers based on the family of five-membered thiophene conjugated ring and its
derivates, due to their self-assembling nature, have been considered as one of the most
commonconductingorganicpolymersusedinOTFTdevices. Wehavestudiedtheadsorp-
tion of 3-nitrothiophene/selenophen/tellurophen on Cu(110) surface, utilising ab initio
calculations. These calculations provide a basic understanding and forecasting of intra-
and inter-molecular interactions present in the observed structures. Monolayers of 3-
nitrothiophen/selenophen/tellurophen on a Cu(110) surface are well ordered with the
aromatic ring perpendicular to the surface, in a close packed structure. Due to the strong
lateral interaction between the hydrogen atoms of the neighboring conjugated rings, they
rotate relative to the nitro (−NO ) group.2
Tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq ) and N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthyl)-1-3
1’biphenyl-4,4”iamine (α-NPD) are among the most commonly used electron-transport
and hole-transport materials suitable for OLED applications. The optical and structural
propertiesofthethinfilmsofthesematerialsdepositedbyorganicvaporphasedeposition
(OVPD) have been studied by spectroscopic ellipsometry (SE). Employing this technique
enables the precise determination of the dielectric function as well as thickness of the
organic thin films of each material. This result can be explained by the characteristic
features of electronic states in organic molecules.
In order to tailor and modify thin film properties to be suitable for desired applications,
e.g. organic light emitting devices (OLED) in this case, it is necessary to study and
understand the influence of deposition parameters on thin film growth. Our study is
focused on the influence of deposition rate and substrate temperature on (α-NPD) film
morphology. A remarkable dependence of the film morphology on deposition rate and
substrate temperature is observed. A detailed quantitative morphology analysis provides
an excellent description of the growth mechanism of OLED films.VI
Kurzfassung
Molekulare organische Verbindungen werden als aktive Materialien in einer Vielzahl un-
terschiedlicher Anwendungen, einschließlich der organischen Leuchtdioden (OLEDs) und
organischen Dunnsc¨ hichttransistoren (OTFTs) eingesetzt. Diese Bauelemente, bestehend
aus aufeinanderfolgenden Schichten organischer Materialien, wurden mit aktiven Filmen,
die eine Dicke von nur einigen hundert Nanometer oder weniger aufweisen demonstriert.
Fur¨ das bessere Verst¨andnis und das Design solch einer Anordnung ist es erforderlich
die Struktur und die optischen Eigenschaften der bestehenden organischen Schichten zu
verstehen.
Polymere, basierend auf die Familien der funfg¨ liedrigen Thiophene gepaarten Ringe
und deren Derivate, werden aufgrund der Natur ihres Eigenaufbaus als eins der
h¨aufigsten allgemein behandelten leitf¨ahigen organischen Polymere betrachtet, die
in OTFT Anordnungen verwendet werden. Wir haben die Adsorption von 3-
nitrothiophene/selenophen/tellurophen auf Kupfer (110) Ober߬achen mit der ab initio
untersucht. Diese Kalkulationen bieten das Basisverst¨andnis und eine Vorausberechnung
der intra- und-intermolekulare Wechselwirkungen die in den beobachteten Strukturen
bestehen. Monolagen von 3-nitrothiophene/selenophen/tellurophen auf Kupfer(110)
Ober߬achen sind mit dem aromatischen Ring senkrecht zur Ober߬ache gut in einer dicht
gepackten Struktur angeordnet. Wegen der starken lateralen Wechselwirkung zwischen
den Wasserstoff Atomen der benachbarten konjugierten Ringe, rotieren sie relative zu der
Nitro (-NO2) Gruppe.
Tris-(8-hydroxyquinoline) aluminum (Alq ) und N,N’-diphenyl-N,N’-bis(1-naphthyl)-1-3
1’biphenyl-4,4”iamine (α-NPD) sind unter den meisten ublic¨ h verwendeten Elektron-
Transport und Loch-Transport Materialien fur¨ OLED Anwendungen geeignet. Die optis-
chen und strukturellen Eigenschaften dieser dunnen¨ in der organische Gasphaseabschei-
dung(OVPD)hergestelltenSchichtenwurdemitderspektroskopischenEllipsometrie(SE)
untersucht. Das Einsetzten dieser Technik erm¨oglicht die pr¨azise Bestimmung der dielek-
trischen Funktion ebenso wie der Dicke der organischen Dunnsc¨ hichten jedes Materials.
DiesesErgebniskanndurchdiecharakteristischeEigenschaftderelektronischenZust¨ande
in organischen Molekule¨ n erkl¨art werden.
Fur¨ das Maßschneidern und Modifizieren der Dunns¨ chichteigenschaften, um sie fur¨
Anwendungs- zwecke, in diesm Fall beispielsweise organische Leuchtdioden (OLED) ist
es erforderlich den Einfluss der Dipositionsparameter auf das Dunnsc¨ hichtwachstum zu
untersuchen. Unsere Untersuchung ist auf den Einfluss der Depositionsrate und der
Substrattemperatur auf die (α-NPD) Schichtmorphologie fokussiert. Es wurde eine be-
merkenswert Abh¨angigkeit der Schichtmorphologie auf Ablagerungsraten und der Sub-
strattemperaturbeobachtet. EinedetailliertequantitativeAnalysederMorphologybietet
eine ausgezeichnete Beschreibung der Wachstumsmechanismen der OLED Schichten.Contents
Abstract V
Kurzfassung VI
1 Introduction 1
2 First-principles methods 5
2.1 Density functional theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.1 Hohenberg-Kohn theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.2 The Kohn-Sham formalism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.3 Exchange-correlation approximations: LDA and GGA . . . . . . . . 10
2.1.4 Spin-density functional theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Density functional theory in a plane wave implementation . . . . . . . . . 12
2.2.1 Periodic suppercells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.2.2 Bloch’s Theorem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.3 k-point sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.2.4 Plane-wave basis sets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3 The pseudopotentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
2.3.1 Norm-conserving pseudopotentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
2.3.2 Semi-local pseudopotentials and Kleinman-Bylander factorization . 16
2.3.3 The PAW pseudopotentials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
3 The EStCoMPP-program 21
3.1 Minimization of the energy functional . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2 Explicit form of the equations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.1 The kinetic energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.2 The local energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
3.2.3 The non-local part of the energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
3.2.4 The Ewald-energy. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.2.5 The Hellman-Feynman forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
3.3 The loop-structure and the algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.1 Iterative Eigenvalue Determination . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
3.3.2 The electronic self-consistency and molecular relaxation loops . . . 32
VIIVIII Contents
4 3-nitrothiophene/selenophen/ tellurophen on Cu(110) 33
4.1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.2 Free molecules in the gas phase . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.2.1 Structure optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35
4.3 Adsorption of the molecules on the surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.3.1 Rotation angle for conjugated rings: selenophen and tellurophen . . 38
4.3.2 Full relaxation of 3-nitrothiophene/selenophen/tellurophen on
Cu(110) surface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
4.4 Anchoring groups nitro versus carboxylate . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
4.5 Summary and conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5 Optical properties of organic materials 47
5.1 Different organic compounds . . . . . . . . . . . . . . . . . . .