Elektrische und optische Charakterisierung dünner Filme substituierter Phthalocyanine

Abstract

In dieser Arbeit wurden die elektrischen und optischen Eigenschaften von per PVD abgeschieden Dünnschichten aus perfluoriertem Phthalocyaninatokupfer (F16PcCu) in Ab-hängigkeit von unterschiedlichen als Substrat ausgewählten anorganischen und organischen dielektrischen Oberflächen (Glas, thermisches Si-Waferoxid mit verschiedenen HMDS-Vorbehandlungen sowie verschieden prozessierte PMMA- und Polyimid-Dünn¬schichten) untersucht. F16PcCu-Dünnschichten wurden hierbei aufgrund ihrer Eignung als an Luft stabile organische n-Halbleiter für den Einsatz als aktive Schicht in Feld¬effekt¬transistoren ausgewählt. Um den Einfluss von eventuell vorhandenen Elektronen¬fallen zu untersuchen, wurden vergleichende Messungen für dünne Filme aus teilfluoriertem F8PcCu und unsubstituiertem PcCu durchgeführt, ebenso für die Zinkkomplexe F16PcZn und PcZn. Filme, die in weitgehend isolierten Inseln wuchsen, wie mittels Rasterelektronenmikroskopie gemessen wurde, zeigten kleine Leitfähigkeiten σ und Feldeffektbeweglichkeiten µ. Zusammenhängend gewachsene Filme zeichneten sich durch höhere σ und µ aus. In optischen Messungen wurden Unterschiede in der schicht¬dicken¬abhängigen relativen Molekül-orientierung auf den verschiedenen Oberflächen festgestellt und eine Anordnung als optimal für hohe σ und µ gefunden. F16PcCu-Dünnschichten zeigten auf allen Oberflächen Leitung ohne anliegende Gatespannung und einen Betrieb der n-Transistoren in Anreicherung oder Verarmung mit einer damit einhergehenden negativen Schwellspannung. σ und µ zeigten auf fast allen Substraten eine ausgeprägte Abhängigkeit von der Schichtdicke mit der Ausbildung eines substratspezifischen Maximums bei Schichtdicken um 5 nm. Auch für F16PcZn konnten auf organischen und anorganischen Oberflächen deutliche Unterschiede in σ und der damit verbundenen Morphologie gefunden werden. Im Ausgangskennlinienfeld zeigten die Strom-Spannungskurven auf Polyimid ein unerwartetes Diodenverhalten in Abhängigkeit von der Gatespannung. Zeitabhängige Messungen im Vakuum bzw. Begasung mit O2 zeigten nur einen geringen Einfluss von Elektronenfallen auf den Substratoberflächen. So konnte für PcZn auf Waferoxid ambipolarer Ladungstransport gefunden werden, sowie für PcCu und PcZn auf organischen und anorganischen Oberflächen n-leitendes Verhalten. Auch für F8PcCu konnten n-FETs hergestellt werden. F8PcCu zeigte die ausgeprägteste Reifung sowie einen vollständig reversiblen Verlust der Leitfähigkeit bei Kontakt mit O2. Optische Messungen zeigten Unterschiede in der Molekülorientierung im Vergleich zu F16PcCu. In this thesis the electrical and optical properties of perfluorinated copper phthalocyanine (F16PcCu) thin films grown by PVD were scrutinized in dependence of the chosen organic or inorganic dielectric substrates (glass, thermally grown Si-wafer oxide with varying HMDS-pretreatments and different PMMA- and polyimide thin films). F16PcCu thin films were chosen because they can serve as air stable, n-conducting active layers in field effect transistors. In order to examine the influence of electron traps comparative measurements were performed for thin films of partially fluorinated F8PcCu and unsubstituted PcCu as well as the zinc complexes F16PcZn and PcZn.Films grown in largely isolated islands as seen in scanning electron microscopy showed a low conductivity σ and field effect mobility µ. Films of continuous morphology were characterized by higher σ and µ. In optical measurements thickness dependent changes in the relative molecular orientation were found for the different substrates and one orientation was characteristic for high σ and µ. F16PcCu thin films exhibited conduction even without established gate voltage and an operation in accumulation or depletion of an n-channel with a negative threshold voltage on all surfaces. σ and µ exhibited a distinct dependency on the film thickness with the formation of a substrate specific maximum around 5 nm thickness. For F16PcZn on different organic and inorganic surfaces distinct differences in σ and the morphology could be found as well. The output characteristic of F16PcZn on polyimide showed unexpected diode characteristics dependent on the applied gate voltage.Time-dependent measurements in vacuum or under O2 showed only a minor influence of electron traps on the substrate surfaces. Therefore ambipolar charge transport could be found for PcZn on wafer oxide as well as n-conducting characteristics for PcZn and PcCu on organic and inorganic surfaces. Also for F8PcCu n-FETs could be established. F8PcCu exhibited the most pronounced ripening and a completely reversible loss of σ in contact with O2. Optical measurements revealed differences in the molecular orientation compared to F16PcCu.