UHV-Aufdampfschichten von PTCDA: Korrelation von optischer Spektroskopie und Schichtaufbau

Abstract

Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung der optischen Absorptions- und Emissionsspektren duenner PTCDA-Schichten und deren Korrelation mit Schicht-Struktur-Eigenschaften. Es wurde ein klarer Bezug zu den spektroskopischen Eigenschaften der beiden Kristallphasen alpha und beta des PTCDA hergestellt. Die Schichten wurden im UHV bei Substrattemperaturen zwischen 10K und 373K auf Quarzglas sowie NaCl und KCl hergestellt. Sie wurden sowohl in-situ direkt nach den Aufdampfen (amorph) als auch nach 24 stuendigem Tempern bei 373K (nach Uebergang zu nanokristallinen Strukturen) mit Hilfe optischer Absorptions- und Fluoreszenzspektroskopie temperaturabhaengig (10K - 300K) untersucht. Es zeigte sich, dass die kristallinen (getemperten) Schichten immer aus einem Phasengemisch alpha/beta bestehen. Dessen Verhaeltnis kann durch kontrollierte Experimentfuehrung abhaengig von der Substrattemperatur reproduzierbar eingestellt werden. Spektroskopisch detektierbar ist dieses Phasengemisch durch die Analyse der in den Schichten vorkommenden Absorptions- und Fluoreszenzkomponenten. Es ist gelungen, diese zu trennen und den Kristallphasen alpha und beta zuzuordnen: Mit zunehmender Substrattemperatur zwischen 10K und 373K nimmt der Anteil der alpha-Phase in den getemperten Schichten zu. Diese Zunahme ist fuer 80ML dicke Schichten quantifiziert worden. Sie ist auf den Salzsubstraten NaCl (25% bei T=10K - 80% bei T=300K) und KCl (27% - 72%) deutlich staerker ausgepraegt als auf Quarzglas (17% - 38%). Die getrennte Analyse der spektroskopischen Eigenschaften der beiden Phasen alpha und beta ergab folgendes: Es zeigte sich, dass die energetisch tiefste Absorption in beiden Phasen Frenkel-Excitonen zugeordnet werden kann. Die Exciton-Phonon-Kopplung beider Kristallphasen wurde quantifiziert. Sie ist der Grund fuer die gegenueber den molekularen Spektren stark geaenderten Absorptions- und Emissionsspektren der PTCDA-Kristalle.

This thesis investigates optical spectra of thin Perylene-tetra-carboxylic-dianhydrid and their correlation with structural properties of the layers. The layers were built by molecular beam evaporation under ultra-high-vacuum conditions on quartz, KCl and NaCl substrates kept at temperatures between 10K and 373K. They were investigated by optical absorption and fluorescence spectroscopy directly after the evaporation (amorph) as well as 24h later after heating at 373K (as crystalline layers). The crystalline layers always contain both known PTCDA crystalline phases. The ratio can be controlled by the substrate temperature. The phase ratio can be detected by analyzing the existing absorption and fluorescence components. With increasing substrate temperature the alpha/beta ratio increases. This relationship was quantified and shown that this correlation was stronger on NaCl and KCl than on quartz. The lowest absorption band of both phases was identified as Frenkel exciton. The strong Exciton-Phonon-coupling was quantified.