Tintenstrahldruck für Halbleiterpolymerschichten mit anisotropen elektronischen Eigenschaften
Creators: name: Rödlmeier, Tobias
Publisher: name: Karlsruhe
Year: 2020

description: Diese Arbeit beschäftigt sich mit den anisotropen Eigenschaften von tintenstrahlgedruckten organischen Halbleiterschichten und deren Herstellungsverfahren. Um die Herausforderungen für eine leistungsfähige und reproduzierbare Herstellung von organischen Halbleiterbauteilen zu bewältigen, muss die Prozessierung von Tinten mit darin gelösten Halbleitermaterialien entwickelt werden. Eine der größten Hürden ist dabei die Trocknung der applizierten flüssigen Schicht, deren letztendliche Morphologie die Grundlage für die optischen und elektronischen Eigenschaften einer Anwendung bildet. Die im Labormaßstab herge-stellten Bauteile, basierend auf Schleuderbeschichtung, sind nur schwer auf industrielle Druckprozesse übertragbar, da die Anforderungen an die physikalischen Eigenschaften der Tinten grundlegend verschieden sein können. Um ein Druckverfahren anwenden zu können, muss außer den viskoelastischen Fluideigenschaften für die grundsätzliche Prozessierbarkeit auch die Benetzung auf der zu bedruckenden Substratoberfläche und der anschließenden Trocknung zwingend berücksichtigt werden. Zur Untersuchung der rheologischen Eigenschaften einer Tintenformulierung für organischer Halbleiter wurde eine Modelltinte basierend auf Polymethylmethacrylat (PMMA) und Poly(3-hexylthiophen) (P3HT) in Chlorbenzol, Dichlorbenzol, Trichlorbenzol und deren Mischungen verwendet. Einzelne tintenstrahlgedruckte Tropfen wurden in ihrem Höhenprofil vermessen, um den Einfluss der Tintenzusammensetzung und Prozessparameter auf die Randüberhöhungen und den Marangoni-Effekt zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die Vorhersagen der auf Gleichgewichtszuständen basierenden Theorien nur bedingt auf die experimentellen applizierten Dünnschichten anwendbar waren. Um der Problematik der Trocknungseffekte zu entgehen, wurde ein neuer Ansatz für die Fluidformulie-rung entwickelt. Neben einem Trägerlösungsmittel und dem zu applizierenden organischen Halbleiterpolymer enthält die Lösung ein Kristallisationsmittel. Dabei handelt es sich bei Raumtemperatur um ein organisches kristallines Material, welches sich im Trägerlösungsmittel löst und in flüssiger Form in der Lage ist den Halbleiter zu lösen. Durch geeignete Druckparameter wird das Kristallisationsmittel in der applizierten Schicht während der fortschreitenden Trocknung zu einer gerichteten Rekristallisation gezwungen, dessen Kristalle als Substratoberfläche zur epitaktischen Abscheidung des Polymers dienen. Dabei wird der flüssige Film immobilisiert und der Materialfluss wird gestoppt. In Abhängigkeit der Prozessparameter und des verwendeten Halbleiters können verschiedene Faserschichten entstehen, welche sich im Grad ihrer Anisotropie, der Faserorientierung und in ihrem Faserdurchmesser stark unterscheiden. Es handelt sich hierbei um die erste literaturbekannte Herstellung anisotroper Schichten mit einem Tintenstrahldruckprozess und einer kristallisationsmittelbasierenden Tinte. Im ersten Ansatz entstanden mikroskalige P3HT-Fasern mit hohem Orientierungsgrad. Die Prozesspara-meter wurden so gewählt, dass das Kristallisationsmittel Trichlorbenzol noch bei fortschreitendem Druck rekristallisierte und sich in Richtung der wandernden Trocknungszone der frisch gedruckten Tinte ausrichtete. Das Kristallisationsmittel wurde anschließend im Vakuum durch Sublimation entfernt. Es konnten hohle röhrenartige Faserstrukturen identifiziert werden. Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen zeigten in den Fasern große Hohlräume, welche zuvor die Trichlorbenzolkristalle beinhalteten. IR-Spektroskopie und GIWAXS-Messungen zeigten, dass sich das P3HT-Polymerrückgrat entlang der Fasern mit einer radialsymmetrischen Verteilung um den hohlen Kern anordnete, was zuvor noch nicht in der Literatur vorgestellt wurde. Polarisationsabhängige Absorptionmessungen sowie die elektrische Charakterisierung von Transistoren der Faserschichten zeigten ebenfalls anisotrope Eigenschaften. Darüber hinaus wurde die Faserbildung auf die verschiedenen Prozessparameter Kristallisationsmittel-konzentration, Substrattemperatur, Druckgeschwindigkeit, Tropfenabstand bzw. Auflösung und ver-schiedene Halbleiterpolymere in Linienmustern untersucht. Dabei zeigten P3HT und PIF8-TAA auf Grund ihrer chemischen Zusammensetzung unterschiedliche Druckbilder. Die Höhenprofile der getrockneten Schichten wurden zur Bestimmung der Rauheit vermessen. Um den Grad der Anisotropie und Faserorientierung in Abhängig der Prozessparameter zu bestimmen, wurden Mikroskop-Ramanspektroskopie und Photolumineszenzmessungen durchgeführt, die eine Korrelation zwischen x- und y-Richtung zeigten.