title: Organic-Inorganic Semiconductor Hybrid Systems: Structure, Morphology, and Electronic Properties
title: Organisch-anorganische Halbleiter Hybridsysteme
Creators: name: El Helou, Mira
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2012
Subjects: Halbleiter
organisch-anorganische Halbleiter
Halbleiteroberfläche
Kraftmikroskopie
conducting atomic force microscopy
Physik
organic-inorganic Semiconductors
Leitfähige Kraftmikroskopie
n-Halbleiter
Zinkoxid
Selbstassemblierende Monolagen
p-Halbleiter
Pentacen
Self-assembled Monolayers
Organischer Halbleiter

description: This dissertation addresses the
      preparation and characterization of hybrid semiconducting
      systems combining organic with inorganic materials.
      Characterization methods used included to determine the
      structure, morphology, and thermal stability comprised X-ray
      diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), thermal
      desorption spectroscopy (TDS), and X-ray photoelectron
      spectroscopy (XPS). One organic-inorganic semiconducting
      system was pentacene (C22H14) and zinc oxide. This interface
      was investigated in detail for pentacene on an
      oxygen-terminated zinc oxide surface, i.e. ZnO(000-1). An
      extended study on the promising p-n junction was carried out
      for pentacene on ZnO with different orientations which
      exhibit different chemical and structural characteristics:
      ZnO(000-1), ZnO(0001), and ZnO(10-10). Moreover, the organic
      crystal structure of pentacene was selectively tuned by
      carefully choosing the substrate temperature. This defined
      interface with a physisorbed pentacene layer on ZnO was
      characterized by optical absorption which depends on the
      temperature of the measured system, the pentacene film
      thickness, and the molecular orientation and packing. The
      high quality of the pentacene films allowed in one case to
      characterize the Davydov splitting by linear polarized light
      focused on a single crystallite. Another subject in the field
      of organic-inorganic hybrid materials comprised conjugated
      dithiols used as self-assembled monolayers (SAMs) for
      immobilizing semiconducting CdS nanoparticles (NPs) on Au
      substrates. It was demonstrated that an appropriate selection
      and preparation of the conjugated SAMs is crucial for
      building up a light-addressable potentiometric sensor with a
      sufficient efficiency. An optimized electron transfer was
      achieved with SAMs of long range ordering, high stability,
      and adequate conductivity. This was examined for different
      linkers and was best for stilbenedithiol immobilized in
      solution at higher temperatures. Due to its high current
      yield and long term stability, the stilbenedithiol-based
      photosensor was used for peroxide detection incorporating
      modified CdS NPs with FePt. During this research, current
      sensing atomic force microscopy (CSAFM) was used to study the
      electronic behavior of a ZnO crystal. Optimized parameters
      for reproducible local current-voltage characteristics were
      determined using a high quality ZnO(10-10) surface as a
      specimen. It was shown that the desired reproducibility was
      achieved through the appropriate selection of the parameters
      such as potential range, sweep delay, and especially duration
      time of the individual I-V curves. The role of the force load
      and temperature on electrical conduction was demonstrated for
      this semiconducting mixed-terminated ZnO surface.
description: In dieser Arbeit stehen die
      Herstellung und Charakterisierung von Hybridsystemen im
      Vordergrund, die auf organisch-anorganischen Materialien
      basieren. Zur Aufklärung der Struktur, Morphologie und
      thermischen Stabilität der organischen Schichten wurden
      Methoden aus der Oberflächenphysik eingesetzt, wie
      Röntgenbeugung (XRD), Rasterkraftmikroskopie (AFM),
      thermische Desorptionsspektroskopie (TDS) und
      Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS). Als
      organisch-anorganische Heterostruktur wurde das System
      Pentacen-Zinkoxid untersucht, wobei das Pentacen (C22H14) auf
      dem sauerstoffterminierten Zinkoxid ZnO(000-1) ausführlich
      charakterisiert wurde. Eine erweiterte Studie von Pentacen
      auf ZnO verschiedener Terminierung wie ZnO(000-1), ZnO(0001)
      und ZnO(10-10) wurde durchgeführt. Diese Terminierung
      beschreibt den Einfluss der chemischen und strukturellen
      Aspekte des Substrats auf das Wachstum und die Eigenschaften
      der Pentacenschichten. Auss erdem wurde die selektive
      Herstellung von einer bestimmten Kristallstruktur von
      Pentacen durch das Einstellen bestimmter Substrattemperaturen
      erzielt. Sowohl Pentacenschichten auf verschiedenen
      ZnO-Oberflächen als auch die verschiedenen Kristallphasen
      wurden mit der optischen Absorptionsspektroskopie in
      Abhängigkeit von der Temperatur, der Filmdicke und der
      molekularen Orientierung bzw. dem Packungsmotiv untersucht.
      Die hohe Qualität und Kristallinität der Proben erlaubten bei
      einer Kristallphase die Charakterisierung der
      Davydov-Aufspaltung durch linear polarisiertes Licht, das auf
      einen Einzelkristallit fokussiert wurde. Ein weiteres System
      im Rahmen der organisch-anorganischen Hybridmaterialien
      stellte die Verankerung von anorganischen CdS Nanopartikeln
      (NP) auf einem Goldsubstrat mittels eines bifunktionalen
      Linkers, der zu der Klasse der selbst-assemblierenden
      Monolagen (SAMs) gehört, dar. Die sogenannte Immobilisierung
      der NP wurde mittels eines konjugierten Dithiols realisiert,
      das über ausreichende Leitfähigkeit zum Einsatz im
      lichtadressierbaren potentiometrischen Sensor verfügt. Diese
      wurde optimiert durch geeignete Präparation langreichweitig
      geordneter, stabiler SAMs. Verschiedene Dithiole wurden zum
      Einsatz gebracht, wobei die mit Stilbendithiol bei höherer
      Temperatur modifizierte Goldelektrode genügend Effizienz und
      stabile Photoströme mit CdS NP erzielte. Dieser
      stilbendithiolbasierte Photosensor wurde exemplarisch mit
      FePt modifizierten CdS NP zum Nachweis von Wasserstoffperoxid
      verwendet. Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurde eine
      Rasterkraftmikroskopie-Variante zur Leitfähigkeitsmessung an
      Oberflächen (current sensing AFM, kurz: CSAFM) am Beispiel
      von der gemischt-terminierten ZnO(10-10) Oberfläche
      eingeführt. Durch die geeignete Wahl von Eingabeparametern
      wie z.B. Spannungsbereich, Verzögerungszeit und Laufzeit der
      individuellen I-V-Kurven wurde die Reproduzierbarkeit der
      lokalen Leitfähigkeitsmessung optimiert. Zusätzlich wurde der
      Einfluss der Auflagekraft der Spitze und der
      Substrattemperatur auf die Leitfähigkeit der
      gemischt-terminierten ZnO-Oberfläche erforscht.