title: Preparation and Characterization of thin films of organic semiconductors and their heterostructures
title: Herstellung und Charakterisierung von Dünnfilmen organischer Halbleiter und ihrer Heterostrukturen
Creators: name: Breuer, Tobias
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2013
Subjects: Dünne Schicht
Rasterkraftmikroskopie
Organischer Halbleiter
Pentacene , Perfluoropentacene
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Organische Elektronik
Nanostruktur
Pentacen , Perfluoropentacen
Physik
Buckminsterfulleren , Röntgenbeugung
Organic Electronics
NEXAFS , Heterostruktur

description: This thesis summarizes a number of
      studies regarding the preparation and spectroscopic
      characterizations of thin films of the organic semiconductor
      perfluoropentacene (PFP) and pentacene-tetrone (P-TET), as
      well as heterostructures of PFP and pentacene (PEN) and of
      PEN and Buckminster-Fullerene (C60). By combining various
      techniques, the morphology and structure of the thin films
      was analyzed and it was examined, how modifications of the
      preparation procedure such as the variation of the diffusion
      lengths of the molecules by tuning the substrate temperature
      influence the film formation. By specific choice of
      substrates with diverse geometrical and chemical properties,
      molecular films in different, highly ordered conformations
      have been prepared. This enabled detailed
      polarization-resolved spectroscopic characterizations, and
      thus allowed to determine the anisotropic electronic and
      vibrational characteristics of crystalline organic
      semiconductors. Furthermore, the influence of the nanoscopic
      quality of the substrate on the resulting thin films has been
      investigated for the combination of highly oriented pyrolitic
      graphite as substrate and PFP as well as P-TET as adsorbates.
      It was shown that the weak, but efficient interaction between
      substrate and adsorbate, results in planar adsorption
      conformation and large crystal sizes. This is especially
      interesting as it allows spectroscopic access to thin films
      with recumbent molecular orientation in the absence of
      chemical modification of the molecules by the substrate as
      often found in the case of metal substrates. Moreover, it was
      found that this template effect is suppressed even by
      microscopic substrate defects. In the case of deposition of
      PFP on HOPG a new crystalline structure (polymorph) has been
      identified and resolved, in which the PFP-molecules stack in
      parallel sequence relative to one another instead of adopting
      the common herringbone-motif. As this parallelism leads to
      effective overlap of the molecular $pi$-orbitals, it was
      found that the charge carrier mobility is enhanced by a
      factor greater than 10 compared to the bulk structure to a
      value which is even higher than the one found for pentacene.
      Furthermore, the PFP-metal-interfaces in case of the metals
      gold, silver and copper were studied. Because these
      interfaces are of great significance for the efficiency of
      actual devices, the comprehension and the stability of them
      is very important for the advancement of organic electronic
      devices. We found that the stability against catalytic
      processes, which had been ascribed to PFP, actually is not as
      high as projected. Instead, at reactive silver and copper
      surfaces, upon supply of thermal energy significant changes
      of the structural and electronic properties occur, which lead
      to complete dissociation of the molecule at high
      temperatures. Finally, studies have been conducted which are
      supposed to gain insights into structure formation and
      interaction of organic molecules with one another in
      so-called organic heterostructures. Organic heterostructures
      are of great importance, because a high number of
      prototypical electronic devices as organic solar cells and
      ambipolar organic field-effect transistors, are made of more
      than one compound. The efficiency of such devices in turn
      critically depends on the electronic interaction, the
      intermixture and the relative conformation. This leads to the
      necessity of conducting studies which investigate these
      correspondences with the aid of appropriate model systems.
      Such studies have been performed in this thesis, choosing
      heterostructures of PFP and PEN as well as PEN and C60 as
      model systems. Due to their high structural and electronic
      compatibility, crystalline molecular intermixture of PFP and
      PEN is found. It was furthermore shown that the proposed
      efficient quadrupolar of both compounds indeed results in
      electronic interaction and enhanced thermal stability of the
      heterostructure compared to the single compound. Moreover,
      different preparation methods of this heterostructure were
      compared and detailed insight was gained into the influence
      of the intermixture on the electronic properties. Although in
      turn heterostructures of PEN and C60 exhibit molecular
      separation, they nevertheless influence each other regarding
      their nanostructure. It was shown that by tuning the
      effective diffusion length of the fullerenes, C60
      nanostructures of different dimensionality can be prepared,
      which furthermore renders possibilities to fabricate buried
      molecular nanostructures of low dimensionality.
description: Diese Arbeit ist eine
      Zusammenfassung der Studien zur Präparation und
      spektroskopischen Charakterisierung von Dünnfilmen des
      organischen Halbleitermoleküls Perfluoropentacen (PFP) und
      Pentacenetetrone (P-TET), sowie von Heterostrukturen von PFP
      und Pentacen (PEN) und von PEN und Buckminster-Fulleren
      (C60). Durch die Kombination verschiedener Messtechniken
      wurden die Morphologie und Struktur der Dünnfilme analysiert
      und der Effekt von Veränderungen des Präparationsprozesses
      wie zum Beispiel der Variation der Diffusionslängen der
      Moleküle durch Einstellung der Substrattemperatur auf die
      Dünnfilme untersucht. Durch die gezielte Auswahl von
      Substraten verschiedener geometrischer und chemischer
      Eigenschaften wurden molekulare Dünnfilme in verschiedener,
      hochgeordneter Ausrichtung hergestellt. Dies ermöglichte die
      detaillierte polarisationsaufgelöste spektroskopische
      Vermessung dieser Dünnfilme, wodurch die anisotropen
      elektronischen, morphologischen und Vibrationseigenschaften
      der organischen Halbleitermoleküle in kristalliner Form
      bestimmt werden konnten. Weiterhin wurde der Einfluss der
      nanoskopischen Qualität des Trägersubstrates auf die
      resultierenden Dünnfilm-Eigenschaften für die Kombination von
      hochorientiertem pyrolitischen Graphit (HOPG) als Substrat
      und PFP und P-TET als Adsorbate untersucht. Hierbei zeigte
      sich, dass die schwache, aber effiziente Wechselwirkung
      zwischen dem Graphit-Substrat und dem Adsorbat in einer
      planaren Adsorptionsgeometrie und großer Kristallitgröße der
      Acene auf HOPG resultiert. Dies ist speziell interessant, da
      es spektroskopischen Zugang zu Dünnfilmen in liegender
      molekularer Orientierung ermöglicht, ohne dass die Moleküle
      durch starke Wechselwirkung mit dem Substrat chemisch
      verändert werden, wie es oft bei Kontakt mit
      Metalloberflächen der Fall ist. Durch Variation der
      Substratqualität wurde festgestellt, dass bereits
      mikroskopische Fehlstellen im Substrat diesen Effekt
      unterbinden, sodass die Substratqualität als kritischer
      Parameter für die Strukturbildung in molekularen Dünnfilmen
      identifiziert wurde. Im Falle der Deposition von PFP auf HOPG
      wurde eine neuartige Kristallphase (Polymorphismus) von PFP
      entdeckt, in der die PFP-Moleküle relativ zueinander parallel
      stapeln statt das typische Herringbone-Muster einzunehmen.
      Weiterhin wurden die PFP-Metall-Grenzflächen an den Metallen
      Gold, Silber und Kupfer studiert. Da diese Grenzflächen von
      entscheidender Bedeutung für die Effizienz realer Bauteile
      sind, ist ihr Verständnis und die Stabilität dieser
      Grenzfläche von großer Bedeutung für die Weiterentwicklung
      organischer elektronischer Bauteile. Es zeigte sich hierbei,
      dass die für PFP postulierte Stabilität gegenüber
      katalytischen Prozessen weitaus schwächer ist als
      vorhergesagt. Als Konsequenz treten an Grenzflächen mit
      reaktiven Silber- und Kupferoberflächen bei Zufuhr von
      thermischer Energie signifikante Veränderungen der
      strukturellen und elektronischen Eigenschaften auf, die bei
      hohen Temperaturen zu einer vollständigen Dissoziation des
      Moleküls führen. Zudem wurden Studien durchgeführt, die zu
      einem erweiterten Verständnis in der Strukturbildung und
      Wechselwirkung organischer Moleküle miteinander beitragen
      sollen. Solche organische Heterostrukturen sind von großer
      Bedeutung, da eine Vielzahl prototypialer elektronischer
      Bauelemente, wie beispielsweise organischer Solarzellen oder
      ambipolarer organischer Feldeffekttransistoren, auf
      Kombinationen mehrerer Komponenten zurückgreifen. Da die
      Effizienz dieser Bauteile wiederum kritisch von der
      elektronischen Wechselwirkung, der Durchmischung und
      relativen Anordnung der Komponenten zueinander bestimmt wird,
      sind die Ergebnisse dieser Arbeit, in der anhand geeigneter
      Modellsysteme eben solche Zusammenhänge untersucht wurden,
      von großer Bedeutung. Als Modellsysteme wurden
      Heterostrukturen von PFP und PEN sowie von PEN und C60
      untersucht. Aufgrund der hohen strukturellen und
      elektronischen Kompatibilität tritt kristalline molekulare
      Durchmischung von PEN und PFP auf. Es wurde in dieser Arbeit
      nachgewiesen, dass die vorhergesagte effektive
      Quadruopol-Wechselwirkung beider Komponenten zu
      elektronischer Wechselwirkung und erhöhter thermischer
      Stabilität gegenüber den Einzelkomponenten führt. Darauf
      aufbauend wurden verschiedene Präparationsmethoden zu ihrer
      Herstellung verglichen. Zudem wurden detaillierte
      Erkenntnisse über die Auswirkungen der Durchmischung auf die
      elektronischen Eigenschaften gewonnen. Obwohl
      Heterostrukturen von PEN und C60 dagegen molekularer
      Entmischung unterliegen, beeinflussen sie sich dennoch in
      ihrer Nanostruktur. Es wurde gezeigt, dass durch Einstellung
      der Diffusionslängen der Fullerene C60-Nanostrukturen
      unterschiedlicher Dimensionalität mit gezielter Anlagerung an
      PEN-Molekularstufen hergestellt werden können. Dies bietet
      die Möglichkeit zur Fabrikation vergrabener molekularer
      Nanostrukturen, die spektroskopisch adressiert werden
      können.