Directed self assembly of organic semiconductors in different dimensionalities

Abstract

Organic semiconductors have been studied since the late 1940s but the starting point of organic electronics can be set at the mid 1980s where organic materials were for the first time implemented into organic photovoltaic cells (OPVs), organic light emitting diodes (OLEDs) and organic field effect transistors (OFETs). The most appealing advantages, when compared to their inorganic counterparts, are that organic materials offer an inherent compatibility with plastic substrates, flexibility since the bonding between adjacent atoms in organic molecules is governed by van-der Waals forces, and amenability to low-cost and low-temperature processing methods such as melt processing, printing, and solution deposition. The high demand for lightweight and inexpensive electronic components has therefore triggered an extensive research activity in the field of organic semiconductors. In this experimental work, the growth of organic semiconductors by sublimation in ultra high vacuum was studied. The aim was to characterize structural properties and optimize growth conditions in order to attain highly ordered architectures in three, two and one dimension for an improved and suitable implementation into devices. The molecules studied in this thesis exhibit pi-pi interactions which are a driving force for the self-assembly in crystalline structures. This ability was exploited together with the control of kinetic parameters and the templating role of substrates. Precise information of the structural properties for each system has been achieved by the combination of various complementary techniques including x-ray reflectivity, grazing incidence x-ray diffraction, atomic force and scanning tunneling microscopy and scanning and transmission electron microscopy.

Die halbleitenden Eigenschaften pi-konjugierter organischer Moleküle wurden schon Mitte des letzten Jahrhunderts erforscht, ziehen aber erst in jüngerer Zeit ein großes Augenmerk auf sich. Dies ist auf ihre elektrischen und optischen Eigenschaften zurückzuführen, die zum ersten Mal erfolgreich Mitte der achtziger Jahre in organischen Solarzellen, organischen Feldeffekttransistoren und organischen Leuchtdioden angewendet wurden. Die geringen Produktionskosten bei der Herstellung solcher Bauelemente (verglichen mit der Verwendung anorganischer Materialen) und ihre vielseitigen Einsatzmöglichkeiten auf unterschiedlichsten Oberflächen, wie zum Beispiel flexible Kunststoffe, tragen auch zu einem wachsenden Interesse in der Industrie bei. Die wesentlichen Kernpunkte, die für eine Verbesserung der Leistung der oben erwähnten Bauelemente verantwortlich sind, beinhalten Wachstum, Struktur und Morphologie der verwendeten organischen Materialen. Sie bestimmen entscheidend die optischen und elektrischen Eigenschaften in den jeweiligen Bauteilen. Eine genaue Kontrolle des Wachstumsverhaltens wie auch eine detaillierte Untersuchung der Strukturmerkmale organischer Halbleiter in verschiedenen Geometrien ist daher unerlässlich, um ein tieferes Verständnis der Zusammenhänge zwischen elektrooptischen und strukturellen Eigenschaften zu erlangen. In dieser Arbeit wurde das Wachstum organischer Halbleiter, die unter Ultrahochvakuumbedingungen sublimiert wurden, analysiert. Ziel war es, ihre strukturellen Eigenschaften zu charakterisieren und die Wachstumsbedingungen zu optimieren, um hochgeordnete Nanostrukturen in drei, zwei und einer Dimension zu bilden, welche eine verbesserte Leistung in organischen Feldeffekttransistoren und organischen Solarzellen ermöglichen soll. Alle untersuchten Moleküle gehören zur Klasse der Aromaten und zeichnen sich durch pi-pi Wechselwirkungen aus, die für die Selbstaggregation in kristallinen Strukturen verantwortlich sind. Die Kontrolle der kinetischen Parameter, wie auch die Verwendung modifizierter Substrate wurde neben der eben erwähnten Fähigkeit der Selbstaggregation in dieser Arbeit ausgenutzt. Unter Einsatz komplementärer experimenteller Techniken wie Röntgenreflektivität, Röntgenbeugung unter streifendem Einfall, Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskopie sowie Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie wurden die strukturellen Eigenschaften der untersuchten Systeme aufgedeckt.