Ortsaufgelöste Charakterisierung des elektrischen Kontaktverhaltens an Grenzflächen organischer Halbleitermaterialien

Abstract

Das in dieser Arbeit aufgebaute Vakuum-Rasterkraftmikroskop erlaubt mit der entwickelten in-situ Messmethode die Charakterisierung des Wachstumsverhaltens und der (elektrischen) Kontakteinstellung organischer Halbleiter. Die Möglichkeiten zur Analyse des Filmwachstums und die Auflösung im Subnanometerbereich wurden an PcCu und F16PcCu auf einkristallinem KCl-Oberflächen demonstriert. Mithilfe des elektrischen KPFM-Messmodus wurden Energiebarrieren an den Kontakten zur Injektion von Elektronen und Löchern in das für OLED interessante Emittermaterial PCIC während des Wachstums in-situ bestimmt. Die gewonnenen Erkenntnisse stimmen mit den Eigenschaften wie Strom-Spannungscharakteristik und Elektrolumineszenz der entsprechenden Bauteile überein. Die Bestimmung der Oberflächenpotentiale war durch die Ortsauflösung des KPFM auch an heterogen bedeckten Kontaktoberflächen möglich. Die Potentiometrie an Transistorstrukturen (OFET) mit dem n-Leiter F16PcCu lieferte Ausgangskennlinien und Werte für die Ladungsträgerbeweglichkeit, die um die Kontaktwiderstände an Source und Drain korrigiert sind. Dabei ist die korrigierte Beweglichkeit signifikant größer ist als der zuvor unter Einbeziehung der Kontaktverluste bestimmte Wert. Zusätzlich wurden die Kontaktwiderstände quantifiziert. Dabei zeigte sich, dass der Widerstand am Source-Kontakt zusätzlich zur Injektionsbarriere einen großen parasitären ohmschen Anteil besitzt und der Widerstand am Drain-Kontakt einen nicht-ohmschen Kontakt zur Gold-Elektrode ausbildet, der einer Tunnelbarriere zugeordnet wird. In this work, an atomic force microscope operating in vacuum was set up and measuring routines were developed to allow the in-situ investigation of growth characteristics and (electrical) contact formation of organic semiconductors during film growth. Analysis of film growth and resolution in the sub-nanometer range were demonstrated on PcCu and F16PcCu on single crystal KCl surfaces. Using the in-situ KPFM method, injection barriers for electrons and holes at contacts of an interesting emitter material for OLED research, PCIC, were determined. The detected barrier heights coincide with the results seen in electroluminescence and current-voltage characteristics of corresponding complete devices. The spatial resolution of KPFM additionally allows investigating heterogeneous contact surfaces.Potentiometry on OFET with F16PcCu provides output characteristics and values of fieldeffect mobility that were corrected for contact losses at Source and Drain. The corrected mobility was significantly higher than those measured without correction. Additionally, contact resistances were quantitatively identified. The contact resistance at the Source is affected by an auxiliary ohmic contact originating from intrinsic semiconducting material close to the electrode, while the resistance of the Drain shows merely non-ohmic behavior which is assigned to a thin tunnel barrier directly at the electrode.