Ab initio study of work function modification at organic/metal interfaces
Creators: name: Kim, Jongmin
Publisher: name: Humboldt-Universität zu Berlin
Year: 2024
Subjects: subject: Dichtefunktionaltheorie
subject: Oberflächen- und Grenzflächenphänomene
subject: Selbstkonsistenten Felditeration
subject: Modifikation der Austrittsarbeit
subject: Density-functional theory
subject: Surface &amp; interfacial phenomena
subject: self-consistent field methods
subject: Work function modification
subject: 530 Physik

description: Die Ladungsinjektion (-extraktion) an einer Schnittstelle spielt in der organischen Elektronik eine entscheidende Rolle, da sie die Leistung des Bauelements stark beeinflusst. Eine der effizientesten Methoden zur Optimierung der Energiebarrieren für die Injektion ist die Modifikation der Austrittsarbeit der Elektroden. In dieser Dissertation untersuchen wir die Modifikation der Austrittsarbeit von Au(111) durch dithiol-terminiertes Polyethylenglykol (PEG(thiol)) sowie deren Abhängigkeit von der Anzahl der PEG-Wiederholungseinheiten. In beiden Fällen beobachten wir, dass die Austrittsarbeit des Au(111) durch eine Monoschicht PEG(thiol)-Moleküle reduziert wird. Unsere Berechnungen zeigen, dass diese Änderung der Austrittsarbeit hauptsächlich durch (i) die Ladungsumlagerung aufgrund der Chemisorption und (ii) das intrinsische Dipolmoment der PEG(thiol)-Monoschicht verursacht wird. Die Größe des letzteren Beitrags hängt spürbar von der Anzahl der Wiederholungseinheiten ab und bewirkt somit eine Variation in der Reduktion der Austrittsarbeit. Das oszillatorische Verhalten spiegelt einen ausgeprägten Odd-Even-Effekt wider. Dadurch kann die Austrittsarbeit der Metallelektrode unter Berücksichtigung des Odd-Even-Effekts gesteuert werden. Die Konvergenz der selbstkonsistenten Felditeration für unsere Systeme ist nicht garantiert. Um die Konvergenz zu verbessern, schlagen wir die Verwendung eines speziell auf die FP-LAPW-Methode zugeschnittenen Mischalgorithmus vor. In einem auf Ag(111) basierenden System zeigt sich, dass eine Struktur mit drei Leerstellen in der Substratschicht besonders stabil ist. Dabei ist eine kontinuierliche Abnahme der Austrittsarbeit des Ag(111) feststellbar. Ähnlich wie beim Au(111) manifestiert sich der Odd-Even-Effekt, der auf das Dipolmoment der Molekularschicht zurückzuführen ist.
description: Charge injection (extraction) at an interface plays a crucial role to organic electronics because this injection (extraction) heavily affects the device performance. One of the most efficient way to optimize energy barriers of the injection (extraction) is modifying the work function of electrodes. In this dissertation, we investigate the modification of work function of Au(111) and Ag(111) induced by the dithiol-terminated polyethylene glycol (PEG(thiol)) as well as a dependence of the work function change on different numbers of PEG repeat units. We find that the work function of the Au(111) is reduced by a monolayer of PEG(thiol) molecules. Overall, our calculations indicate that the work function change is mainly induced by (i) the charge rearrangement due to chemisorption and (ii) the intrinsic dipole moment of the PEG(thiol) monolayer. The magnitude of the latter contribution noticeably depends on the number of repeat units and, thus, causes a variation in the reduction of the work function. The oscillatory behavior reflects a pronounced odd-even effect. As a result, the work function of the metal electrode would be controlled by considering the odd-even effect. Unfortunately, the convergence of the self-consistent field iteration is not guaranteed for our investigated systems. To make the smooth convergence, a mixing algorithm, which is applicable to FP-LAPW method, is devised. We add the Kerker preconditioner as well as further improvements to Pulay’s direct inversion in the iterative subspace. Using this method, one can avoid charge sloshing and noise in the exchange-correlation potential. This method is also implemented in the exciting code. We find the decrease of the work function of the Ag(111) surface is always presented. Similar to the Au(111) case, the odd-even effect is revealed, arising from the dipole moment of the molecular layer.