title: Elektronenmikroskopische Charakterisierung von Pentacen und Perfluorpentacen, ausgewachsen auf verschiedenen Substraten
title: Electron Microscopy Characterization of Pentacene and Perfluoropentacene Grown on Different Substrates
Creators: name: Félix Ángel, Rocío
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: Physics
Physik
Pentancen
organische Halbleiter
Halbleiter

description: Die vorliegende Arbeit befasst
      sich mit der Analyse der Morphologie, des Arrangements und
      der Orientierung organischer Halbleiterschichten mittels
      (raster-) transmissionselektronischer Methoden (im
      englischen: (scanning) transmission electron microscopy
      (S)TEM). Der organische Halbleiter Perfluoropentacen (PFP)
      sowie organische Heterostrukturen bestehend aus Pentacen
      (PEN) und PFP wurden untersucht. PFP wurde auf Graphen
      Substrate ausgewachsen, während die organischen Halbleiter
      PEN und PFP mit unterschiedlichen Mischungsverhältnissen auf
      zwei verschiedenen Substraten (SiO2 bzw. KCl) abgeschieden
      wurden. PFP bildet auf Graphen inselförmige Strukturen, die
      mit dem Substrat in einer epitaktischen Beziehung stehen. Die
      PFP Moleküle liegen flach und parallel zum Substrat und
      bilden das so genannten „π-stacked Polymorph“. Im Rahmen
      dieser Arbeit wurde die laterale Ausrichtung der PFP Moleküle
      bezüglich des Substrates bestimmt. Es zeigte sich, dass die
      lange Molekülachse des PFPs abgesehen von einem geringen
      Offset parallel zu der zig-zag Richtung des Graphens liegt.
      Des Weiteren wurde die Morphologie der PFP Inseln untersucht.
      Zwischen den Inselkanten wurde ein charakteristischer Winkel
      von etwa 68° gemessen. Die Ebenen, die sowohl zur Richtung
      des Elektronenstrahls als auch zu den Inselkanten parallel
      verlaufen, konnten über eine Kombination der Informationen
      aus den TEM Aufnahmen und den Beugungsbildern indiziert
      werden. Aus diesen Ergebnissen konnten wiederum die möglichen
      Seitenfacetten der Inseln ermittelt werden. Um zusätzliche
      Informationen über die dreidimensionale Form der Inseln zu
      erhalten, wurden elektronentomographische Untersuchungen
      durchgeführt. PEN:PFP Proben, die mit verschiedenen
      Mischungsverhältnissen von [2:1], [1:1] und [1:2] auf das
      inerte Substrate SiO2 aufgewachsen wurden, wurden mittels SEM
      und TEM untersucht. Obwohl sich für jedes Mischungsverhältnis
      unterschiedliche Phasen und Morphologien bildeten, entstand
      in allen Fällen eine Mischphase aus PEN und PFP, die für alle
      Proben ähnliche Gitterparameter aufwies. Das einkristalline
      Beugungsbild dieser Mischphase auf SiO2 wurde in dieser
      Arbeit zum ersten Mal aufgenommen und analysiert. Dieses
      Beugungsbild ist dem des PENs sehr ähnlich und suggeriert,
      dass PEN und die Mischphase eine ähnliche Kristallsymmetrie
      besitzen. Für Mischungsverhältnisse mit einem Überschuss an
      PEN bzw. PFP zeigte sich, dass sich die jeweilige
      überschüssige Phase zusätzlich zur Mischphase ausbildet. Die
      verschiedenen PEN:PFP Mischungsverhältnisse resultierten in
      unterschiedlichen Morphologien. Die Mischung gleicher Anteile
      von PEN und PFP führte zu der Bildung faserartiger Strukturen
      bestehend aus der Mischphase. Bei einem PFP Überschuss
      entstanden PFP Fasern, die sich auf einer Schicht aus der
      Mischphase befinden. Bei einem Überschuss an PEN hingegen
      ließ sich eine körnige Struktur (Korngröße 10 nm-60 nm) mit
      Beiträgen puren PENs und der Mischphase beobachten.
      Zusätzlich zu dem inerten Substrat wurde das kristalline
      Substrat KCl verwendet, um das Wachstum von PEN:PFP Gemischen
      mit den Mischungsverhältnissen [2:1] und [1:2] zu
      untersuchen. Die zuvor nachgewiesene Mischphase bildete sich
      auch bei diesen Proben aus. Bei der Probe mit PEN Überschuss
      liegen sowohl PEN als auch die Mischphase in einer
      einheitlichen Schicht vor, die in der Ebene um 90° zueinander
      rotierte Domänen enthält. In der Probe mit PFP Überschuss
      konnten zwei verschiedene Arrangements bestimmt werden. Der
      Großteil der Probe setzt sich aus nadelförmigen PFP Fasern
      zusammen, die sich auf einer Schicht der Mischphase befinden.
      Ein geringerer Anteil der Probe besteht aus einem Film reinen
      PFPs, das direkt auf das KCl Substrat aufwuchs. Die Bedeutung
      von PFP, das auf Graphen aufgewachsen ist, liegt in der
      Relevanz des Substrates selbst, zusammen mit der Anordnung
      entlang des π-Orbitals, die das PFP auf ihm ausbildet. Dieses
      Arrangement verbessert die Ladungsträgermobilität entlang der
      Stapelrichtung. Die Kenntnis über die relative Ausrichtung
      zwischen PFP und Graphen sowie über die Facettierung der PFP
      Inseln ist von hoher Bedeutung, da die physikalischen
      Eigenschaften von diesen Parametern abhängen. Bezüglich der
      Rolle organischer Heterostrukturen in der Entwicklung
      organischer elektronischer Bauteile ist ein tiefgehendes
      Verständnis der Anordnung der organischen Moleküle in den
      Gemischen erforderlich, um neue organische Bauteile zu
      konzipieren.
description: This thesis deals with the study of
      the morphology, arrangement and orientation of organic
      semiconductor films by (scanning) transmission electron
      microscopy ((S)TEM) techniques. The organic semiconductor
      perfluoropentacene (PFP) as well as the organic
      heterostructures of pentacene (PEN) and PFP have been
      investigated. PFP has been grown on graphene substrate, while
      the organic mixtures formed by PEN and PFP have been
      deposited with different mixing ratios on two different
      substrates, i.e. SiO2 and KCl. PFP deposited on graphene
      exhibits an epitaxial growth in island shapes where the
      molecules lie flat and parallel to the substrate adopting the
      so called ‘π-stacked polymorph’. Within this work, the
      lateral alignment of the PFP molecules with respect to the
      graphene substrate has been determined. It was found that the
      long molecular axis of PFP is aligned along the zig-zag
      direction of the graphene. However, this alignment is not
      exactly parallel, but exhibits a small offset. Furthermore,
      the morphology of the PFP islands has been investigated. A
      characteristic angle around 68° was found between confining
      edges of PFP islands. The combination of TEM micrographs and
      electron diffraction patterns has enabled the determination
      of the planes that run parallel to the confining edges of the
      islands ‘as seen’ by the electron beam in the two-dimensional
      projection. From that the possible side facets associated
      with each confining edge have been suggested. Finally,
      electron tomography experiments were used to gain insight
      into the shape of the PFP islands, allowing the 3D
      reconstruction of them. PEN:PFP blends have been prepared
      with mixing ratios of [2:1], [1:1] and [1:2] on an inert
      substrate such as SiO2. Although different phases and
      morphologies have been observed for each mixture, a mixed
      phase made out of PEN and PFP which exhibits similar lattice
      parameters in all cases has been found independently of the
      mixing ratio. The monocrystalline SAED pattern of the mixed
      phase has been shown for the first time on this substrate.
      The diffraction pattern is rather similar to the one of the
      pure PEN in �0 0 1� direction, suggesting that the crystal
      structure of the mixed phase is similar to the one of pure
      PEN. For non-equimolecular blends, the respective pure phase
      in excess is present apart from the mixed phase. A different
      morphology was observed for the different PEN:PFP mixing
      ratios. The equimolecular mixture of PEN and PFP exhibits
      fiber-like structures consisting of the mixed phase. For the
      mixture with PFP in excess, some fibers are formed on a
      background layer. The PFP is contained in the fibers, while
      the background layer is made out of the mixed phase. For the
      mixture with PEN in excess, a grainy structure (grain size of
      10 nm-60 nm) with contributions of pure PEN and of the mixed
      phase is detected. PEN:PFP blends with mixing ratios of [2:1]
      and [1:2] grown on KCl substrates have been investigated too.
      The mixed phase formed by PEN and PFP is also present and
      both blends reveal a quite different morphology. The
      composition, orientation and crystalline details of each
      phase have been inspected. In the blend with PEN in excess,
      the mixed phase together with the pure PEN phase are found in
      a uniform layer formed with domains that are rotated in-plane
      by 90° towards each other. In contrast, the blend with excess
      of PFP presents two different arrangements. The majority of
      the sample exhibits some spicular fibers made out of PFP on a
      background layer composed by the mixed phase. The other
      arrangement present to a lesser extent consists of a film of
      pure PFP lying in direct contact with the KCl substrate. The
      importance of PFP grown on graphene lies in the relevance of
      the graphene substrate together with the π-stacked
      arrangement exhibited by PFP on this substrate. This motif
      enhances charge carrier mobility along the stacking
      direction. The knowledge of the relative alignment as well as
      the faceting are a key information since the physical
      properties depend on these parameters. Furthermore,
      considering the role of the organic heterostructures in the
      development of organic electronic devices, a detailed
      understanding of the basic arrangement of the organic
      molecules in the organic blend is a requirement for the
      development of new organic devices.