@phdthesis{Vrdoljak2011,
  author    = {Vrdoljak, Pavo},
  title     = {Pr{\"a}paration und Untersuchung verborgener Metall/Molek{\"u}l-Kontaktgrenzfl{\"a}chen mit oberfl{\"a}chensensitiven Methoden},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-64590},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {Das Wissen um die strukturellen und elektronischen Eigenschaften verborgener Metall-Organik-Grenzfl{\"a}chen ist entscheidend f{\"u}r die Optimierung und Verbesserung der Leistungsf{\"a}higkeit von auf organischen Halbleitern basierenden Bauteilen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Delaminationskonzept f{\"u}r das Ultrahochvakuum (UHV) umgesetzt und optimiert, mit dessen Hilfe an Modellsystemen verborgene Grenzfl{\"a}chen f{\"u}r oberfl{\"a}chensensitive Methoden zug{\"a}nglich gemacht und im Anschluss hinsichtlich ihrer elektronischen und topographischen Eigenschaften untersucht wurden. Die Erfahrungen und Ergebnisse dieser Arbeit stellen im Bezug auf Untersuchungen und die Optimierung von organischen Bauteilen und ihre verborgenen Grenzfl{\"a}chen einen neuartigen Zugang dar. Der erste Schwerpunkt der Arbeit befasste sich am Beispiel von verborgenen Metall/NTCDA- und Metall/ PTCDA-Grenzfl{\"a}chen mit der Frage, wie verborgene Grenzfl{\"a}chen erfolgreich f{\"u}r oberfl{\"a}chensensitive Methoden zug{\"a}nglich gemacht werden k{\"o}nnen. Nach einer Eruierung eines Klebstoffs, dessen Eigenschaften den Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit, Verarbeitung und UHV-Tauglichkeit gen{\"u}gt, konnte gezeigt werden, dass es mit ausreichender Sorgfalt m{\"o}glich ist, einen unmittelbaren Zugang zu verborgenen Grenzfl{\"a}chen zu erhalten. Es konnten dabei Kontakte von ca. 10 × 15 mm2 Gr{\"o}ße offengelegt werden. Dabei zeigte sich auch, dass der Klebstoff f{\"u}r die Qualit{\"a}t der Delamination eine entscheidende Rolle spielt. Auf der einen Seite bestimmt das Klebeverhalten des Klebstoffs die Gr{\"o}ße der m{\"o}glichen Delaminationsfl{\"a}che, und auf der anderen Seite bestimmt seine chemische Zusammensetzung das Ausgas- und Diffusionsverhalten, welche Einfluss auf den Kontaminationsgrad der delaminierten Grenzfl{\"a}chen haben. Mit Hilfe von dickeren Metallschichten konnte erreicht werden, dass leichter zu verarbeitende Klebstoffe (Klebestreifen) f{\"u}r die Delamination verborgener Grenzfl{\"a}chen verwendet werden k{\"o}nnen. Auch konnte die gesamte Prozedur, eine verborgene Grenzfl{\"a}che zu pr{\"a}parieren und zu delaminieren, erfolgreich in-situ im UHV durchgef{\"u}hrt werden. Als schwierig zeigte sich die thermische Desorption von Molek{\"u}lschichten von delaminierten Metallkontakten. Bei der thermischen Ausd{\"u}nnung (100-250_C) wird unweigerlich die Morphologie des darunter liegende Metallkontakts ver{\"a}ndert. Zudem wurden Konzepte getestet, mit welchen PTCDA-Schichten von delaminierten Kontakten mittels L{\"o}sungsmitteln entfernt wurden, um im Anschluss daran die Kontakttopographie zu untersuchen. Es wird vermutet, dass der Einfluss der L{\"o}sungsmittel auf den delaminierten Kontakt zwar gegeben, jedoch gering ist. Im zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit konnten f{\"u}r verborgene Metall(Au,Ag)/PTCDA und Ag/NTCDA-Grenzfl{\"a}chen nach ihrer Delamination einige Gemeinsamkeiten festgestellt werden: Nach der Delamination der Top-Kontakte befinden sich auf den Metallkontakten inhomogene Molek{\"u}lschichten. Dabei waren auf den PTCDA-bedeckten Kontakten dickere Schichten (4-5 ML PTCDA auf Ag-Kontakt) und auf den NTCDA-bedeckten Kontakten große Bereiche von mindestens 2 mm im Durchmesser mit Monolagen vorhanden. Auch topographisch zeigten sich Gemeinsamkeiten. So wiesen die mit Molek{\"u}lmultilagen bedeckten Bereiche glatte Oberfl{\"a}chen auf, w{\"a}hrend die Metalloberfl{\"a}chen selbst zerkl{\"u}ftete, m{\"a}anderartige und raue Oberfl{\"a}chen aufwiesen. Eine weitere Gemeinsamkeit war, dass der Klebstoff die PE-spektroskopische Untersuchung der Valenzzust{\"a}nde erheblich erschwerte. Des Weiteren konnte die Molek{\"u}lschicht zwar thermisch ausged{\"u}nnt werden, jedoch konnten danach keine Valenzzust{\"a}nde untersucht werden. Als letzter gemeinsamer Gesichtspunkt waren topographische Einfl{\"u}sse des Klebstoffs, welcher durch seine mikro- wie makroskopischen thermischen Verformungen und Blasenbildung massiv die topographische Struktur des Kontakts ver{\"a}ndert. Bei der Untersuchung von in-situ delaminierten verborgenen Grenzfl{\"a}chen stand zun{\"a}chst die Metall(Au,Ag)/PTCDA-Grenzfl{\"a}chen im Fokus. Bei delaminierten Au/PTCDA-Kontakten war die offengelegte Grenzfl{\"a}che nach der Delamination nicht intakt, und es fanden sich L{\"o}cher in der Metallschicht mit mehreren μm Durchmesser. Durch diese waren Bestandteile des Klebstoffs (VACSEAL) photoelektronenspektroskopisch und lichtmikroskopisch auf der verborgenen Grenzfl{\"a}che zu sehen, die gerade in der UV-Photoelektronenspektroskopie (UPS) eine Untersuchung der Valenzzust{\"a}nde d{\"u}nner PTCDA-Schichten besonders erschweren. Das HOMO der PTCDA-Multilage liegt bei delaminierten Au/PTCDA-Kontakten bei etwa 2,3eV. Die Untersuchung von Ag/PTCDA-Kontakten zeigte intakte Metallkontaktfilme nach der Delamination. Es konnte zudem die Molek{\"u}lschicht thermisch bei 260_C auf 2-4 Monolagen erfolgreich ausged{\"u}nnt werden, so dass Valenzzust{\"a}nde untersucht werden konnten. Der Klebstoff erschwerte jedoch auch hier die Untersuchung. Aufgrund verbreiterter Spektren konnten die Lagen des HOMO und FLUMO des in-situ delaminierten und ausged{\"u}nnten Ag/PTCDA-Kontakts ungef{\"a}hr bei 1,9 eV bzw. 0,7 eV bestimmt werden. Weiterhin wurden offengelegte Ag/NTCDA-Grenzfl{\"a}chen untersucht. Bei Ag/ NTCDAKontakten ist es gelungen, durch sukzessives Erh{\"o}hen der Metallschichtdicke den Einfluss des Klebstoffs zu minimieren bzw. g{\"a}nzlich ohne diesen auszukommen. Bereits ab Silberschichtdicken von 2,5 μm k{\"o}nnen verborgene Grenzfl{\"a}chen mit geschickter Technik so delaminiert werden, dass sich Kontaktbereiche ohne Klebstoffanteile ergeben. Dabei wurde ein Drittel des Kontakts verklebt und die restlichen zwei Drittel standen nach der Delamination frei von Klebstoffbestandteilen f{\"u}r Untersuchungen zur Verf{\"u}gung. Ein weiterer Erfolg bez{\"u}glich der Delamination war nicht nur, dass leichter zu verarbeitende Klebstoffe (Klebestreifen) verwendet werden konnten, sondern vor allem, dass es gelang, Ag/NTCDA-Kontakte zu delaminieren, deren Molek{\"u}lschichtdicken im Monolagenbereich vorlagen. Damit konnte zum ersten Mal die direkte Molek{\"u}l-Metall-Wechselwirkung an der verborgenen Grenzfl{\"a}che untersucht werden, ohne dass der Kontakt f{\"u}r die Klebstoffaush{\"a}rtung geheizt und die NTCDA-Schicht thermisch desorbiert werden musste. Das mit UPS ermittelte HOMO lag dabei bei 2,3 eV und das FLUMO bei 0,6 eV. Zudem wurde eine Austrittsarbeit von 4,9 eV ermittelt. Ferner konnte die Valenzstruktur eines vollst{\"a}ndig in-situ pr{\"a}parierten und delaminierten Kontakts im UHV untersucht werden. Die Ergebnisse zeigten keinerlei Unterschiede zu den Kontakten, die f{\"u}r die Verklebung an Luft gebracht wurden. Ferner wurde ein Modell vorgestellt, mit dem erkl{\"a}rt werden kann, weshalb sich nach der Delamination nur einige wenige Molek{\"u}llagen auf dem Metallkontakt befinden. Bei den allgemeinen topographischen Untersuchungen ergab sich, dass die delaminierten Ag/NTCDA-Kontakte relativ rau mit einer RMS-Rauheit im Bereich von 18-24 nm und einer Skewness von 0,5 bis 1,5 waren. Ebenfalls wurden zwei Auff{\"a}lligkeiten von delaminierten Ag/NTCDA-Kontakten untersucht: Die erste waren topographische Strukturen, die im Lichtmikroskop L{\"o}cher in der Metallschicht zu sein schienen. Diese erwiesen sich im Rasterkraftmikroskop (RKM) als lokal begrenzte Bereiche mit erh{\"o}hter Rauheit. Die zweite topographische Auff{\"a}lligkeit waren Bereiche auf den delaminierten Ag/NTCDA-Kontakten, die im Lichtmikroskop als dunkle Flecken verschiedener Gr{\"o}ße erschienen. Bei RKM-Untersuchungen konnten die dunklen Bereiche als NTCDA-Kristallite identifiziert werden, deren Dicke zwischen 500-600 nm lag. Zum Abschluss soll an dieser Stelle noch angemerkt werden, dass die {\"U}bertragung der Erfahrungen und Ergebnisse dieser Arbeit auf andere Systeme m{\"o}glich ist. Das hier erfolgreich angewandte Delaminationskonzept besticht durch einfache Handhabung und Untersuchungsm{\"o}glichkeiten im UHV. Gerade im Hinblick auf eine vollst{\"a}ndige in-situ Pr{\"a}paration und Delamination gibt es jedoch noch erhebliches Optimierungspotential, bis die Untersuchung von verborgenen Grenzfl{\"a}chen anderer Systeme, die besonders empfindlich gegen{\"u}ber Umgebungsbedingungen sind, erfolgreich durchgef{\"u}hrt werden und zur Optimierung von "organischen" Bauteilen beitragen k{\"o}nnen.},
  subject      = {Grenzfl{\"a}che},
  language  = {de}
}
@phdthesis{Schafferhans2011,
  author    = {Schafferhans, Julia},
  title     = {Investigation of defect states in organic semiconductors: Towards long term stable materials for organic photovoltaics},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-57669},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2011},
  abstract  = {In this work, the trap states in the conjugated polymer P3HT, often used as electron donor in organic bulk heterojunction solar cells, three commonly used fullerene based electron acceptors and P3HT:PC61BM blends were investigated. Furthermore, the trap states in the blend were compared with these of the pure materials. Concerning the lifetime of organic solar cells the influence of oxygen on P3HT and P3HT:PC61BM blends was studied. The experimental techniques used to investigate the trap states in the organic semiconductors were (fractional) thermally stimulated current (TSC) and current based deep level transient spectroscopy (Q-DLTS). Fractional TSC measurements on P3HT diodes revealed a quasi-continuous trap distribution. The distribution suggested two different traps in P3HT with approximately Gaussian energy distributions and maxima at about 50 meV and 105 meV. Thereby, the former was attributed to the tail states within the regular Gaussian density of states due to the low activation energy. The latter, deeper traps, however, exhibited a strong dependence on oxygen. Exposure of the P3HT diodes to oxygen, ambient air and synthetic (dry) air all revealed an increase of the deeper traps density with exposure time in the same manner. While the lower limit of the trap density in non aged P3HT samples was in the range of (1.0 - 1.2)×10^22 m^-3, it was more than doubled after an exposure of 50 h to air. An increase of the trap density with oxygen exposure time was also seen in the Q-DLTS measurements accompanied with an increase of the temperature dependence of the emission rates, indicating an enhanced formation of deeper traps. Due to the raise in density of the deeper traps, the charge carrier mobility in P3HT significantly decreased, as revealed by photo-CELIV measurements, resulting in a loss in mobility of about two orders of magnitude after 100 h exposure to synthetic air. The increased trap density was attributed to p-doping of P3HT by the transfer of an electron to adsorbed oxygen. This effect was partially reversible by applying vacuum to the sample for several hours or, more significantly, by a thermal treatment of the devices in nitrogen atmosphere. The trap states in the methanofullerenes PC61BM, bisPC61BM and PC71BM were investigated by TSC measurements. PC61BM yielded a broad quasi-continuous trap distribution with the maximum of the distribution at about 75 meV. The comparison of the TSC spectra of the three methanofullerenes exhibited significant differences in the trap states with higher activation energies of the most prominent traps in bisPC61BM and PC71BM compared to PC61BM. This probably originates from the different isomers bisPC61BM and PC71BM consist of. Each of the isomers yields different LUMO energies, where the lower ones can act as traps. The lower limit of the trap density of all of the three investigated fullerene derivatives exhibited values in the order of 10^22 m^-3, with the highest for bisPC61BM and the lowest for PC61BM. By applying fractional TSC measurements on P3HT:PC61BM solar cells, it was shown that the trap distribution in the blend is a superposition of the traps in pure P3HT and PC61BM and additional deeper traps in the range of about 250 meV to 400 meV. The origin of these additional traps, which can not be related to the pure materials, was attributed to a higher disorder in the blend and P3HT/PC61BM interfaces. This conclusion was supported by standard TSC and Q-DLTS measurements performed on pristine and annealed P3HT:PC61BM blends, exhibiting a higher ratio of the deep traps in the pristine samples. The lower limit of the trap density of the investigated annealed solar cells was in the range of (6-8)×10^22 m^-3, which was considerably higher than in the pure materials. The influence of oxygen on P3HT:PC61BM solar cells was investigated by exposure of the devices to synthetic air under specific conditions. Exposure of the solar cells to oxygen in the dark resulted in a strong decrease in the power conversion efficiency of 60 \% within 120 h, which was only caused by a loss in short-circuit current. Simultaneous illumination of the solar cells during oxygen exposure strongly accelerated the degradation, resulting in an efficiency loss of 30 \% within only 3 h. Thereby, short-circuit current, open-circuit voltage and fill factor all decreased in the same manner. TSC measurements revealed an increase of the density of deeper traps for both degradation conditions, which resulted in a decrease of the mobility, as investigated by CELIV measurements. However, these effects were less pronounced than in pure P3HT. Furthermore, an increase of the equilibrium charge carrier density with degradation time was observed, which was attributed to oxygen doping of P3HT. With the aid of macroscopic simulations, it was shown that the doping of the solar cells is the origin of the loss in short-circuit current for both degradation conditions.},
  subject      = {Organischer Halbleiter},
  language  = {en}
}