Pavo Vrdoljak

• Das Wissen um die strukturellen und elektronischen Eigenschaften verborgener Metall-Organik-Grenzflächen ist entscheidend für die Optimierung und Verbesserung der Leistungsfähigkeit von auf organischen Halbleitern basierenden Bauteilen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Delaminationskonzept für das Ultrahochvakuum (UHV) umgesetzt und optimiert, mit dessen Hilfe an Modellsystemen verborgene Grenzflächen für oberflächensensitive Methoden zugänglich gemacht und im Anschluss hinsichtlich ihrer elektronischen und topographischen EigenschaftenDas Wissen um die strukturellen und elektronischen Eigenschaften verborgener Metall-Organik-Grenzflächen ist entscheidend für die Optimierung und Verbesserung der Leistungsfähigkeit von auf organischen Halbleitern basierenden Bauteilen. In der vorliegenden Arbeit wurde ein Delaminationskonzept für das Ultrahochvakuum (UHV) umgesetzt und optimiert, mit dessen Hilfe an Modellsystemen verborgene Grenzflächen für oberflächensensitive Methoden zugänglich 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 Grenzflächen einen neuartigen Zugang dar. Der erste Schwerpunkt der Arbeit befasste sich am Beispiel von verborgenen Metall/NTCDA- und Metall/ PTCDA-Grenzflächen mit der Frage, wie verborgene Grenzflächen erfolgreich für oberflächensensitive Methoden zugänglich gemacht werden können. Nach einer Eruierung eines Klebstoffs, dessen Eigenschaften den Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit, Verarbeitung und UHV-Tauglichkeit genügt, konnte gezeigt werden, dass es mit ausreichender Sorgfalt möglich ist, einen unmittelbaren Zugang zu verborgenen Grenzflächen zu erhalten. Es konnten dabei Kontakte von ca. 10 × 15 mm2 Größe offengelegt werden. Dabei zeigte sich auch, dass der Klebstoff für die Qualität der Delamination eine entscheidende Rolle spielt. Auf der einen Seite bestimmt das Klebeverhalten des Klebstoffs die Größe der möglichen Delaminationsfläche, und auf der anderen Seite bestimmt seine chemische Zusammensetzung das Ausgas- und Diffusionsverhalten, welche Einfluss auf den Kontaminationsgrad der delaminierten Grenzflächen haben. Mit Hilfe von dickeren Metallschichten konnte erreicht werden, dass leichter zu verarbeitende Klebstoffe (Klebestreifen) für die Delamination verborgener Grenzflächen verwendet werden können. Auch konnte die gesamte Prozedur, eine verborgene Grenzfläche zu präparieren und zu delaminieren, erfolgreich in-situ im UHV durchgeführt werden. Als schwierig zeigte sich die thermische Desorption von Molekülschichten von delaminierten Metallkontakten. Bei der thermischen Ausdünnung (100-250_C) wird unweigerlich die Morphologie des darunter liegende Metallkontakts verändert. Zudem wurden Konzepte getestet, mit welchen PTCDA-Schichten von delaminierten Kontakten mittels Lösungsmitteln entfernt wurden, um im Anschluss daran die Kontakttopographie zu untersuchen. Es wird vermutet, dass der Einfluss der Lösungsmittel auf den delaminierten Kontakt zwar gegeben, jedoch gering ist. Im zweiten Schwerpunkt dieser Arbeit konnten für verborgene Metall(Au,Ag)/PTCDA und Ag/NTCDA-Grenzflächen nach ihrer Delamination einige Gemeinsamkeiten festgestellt werden: Nach der Delamination der Top-Kontakte befinden sich auf den Metallkontakten inhomogene Molekülschichten. 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 Molekülmultilagen bedeckten Bereiche glatte Oberflächen auf, während die Metalloberflächen selbst zerklüftete, mäanderartige und raue Oberflächen aufwiesen. Eine weitere Gemeinsamkeit war, dass der Klebstoff die PE-spektroskopische Untersuchung der Valenzzustände erheblich erschwerte. Des Weiteren konnte die Molekülschicht zwar thermisch ausgedünnt werden, jedoch konnten danach keine Valenzzustände untersucht werden. Als letzter gemeinsamer Gesichtspunkt waren topographische Einflüsse des Klebstoffs, welcher durch seine mikro- wie makroskopischen thermischen Verformungen und Blasenbildung massiv die topographische Struktur des Kontakts verändert. Bei der Untersuchung von in-situ delaminierten verborgenen Grenzflächen stand zunächst die Metall(Au,Ag)/PTCDA-Grenzflächen im Fokus. Bei delaminierten Au/PTCDA-Kontakten war die offengelegte Grenzfläche nach der Delamination nicht intakt, und es fanden sich Löcher in der Metallschicht mit mehreren μm Durchmesser. Durch diese waren Bestandteile des Klebstoffs (VACSEAL) photoelektronenspektroskopisch und lichtmikroskopisch auf der verborgenen Grenzfläche zu sehen, die gerade in der UV-Photoelektronenspektroskopie (UPS) eine Untersuchung der Valenzzustände dünner 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 Molekülschicht thermisch bei 260_C auf 2-4 Monolagen erfolgreich ausgedünnt werden, so dass Valenzzustände 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 ausgedünnten Ag/PTCDA-Kontakts ungefähr bei 1,9 eV bzw. 0,7 eV bestimmt werden. Weiterhin wurden offengelegte Ag/NTCDA-Grenzflächen untersucht. Bei Ag/ NTCDAKontakten ist es gelungen, durch sukzessives Erhöhen der Metallschichtdicke den Einfluss des Klebstoffs zu minimieren bzw. gänzlich ohne diesen auszukommen. Bereits ab Silberschichtdicken von 2,5 μm können verborgene Grenzflächen 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 für Untersuchungen zur Verfügung. Ein weiterer Erfolg bezüglich 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 Molekülschichtdicken im Monolagenbereich vorlagen. Damit konnte zum ersten Mal die direkte Molekül-Metall-Wechselwirkung an der verborgenen Grenzfläche untersucht werden, ohne dass der Kontakt für die Klebstoffaushärtung 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 vollständig in-situ präparierten und delaminierten Kontakts im UHV untersucht werden. Die Ergebnisse zeigten keinerlei Unterschiede zu den Kontakten, die für die Verklebung an Luft gebracht wurden. Ferner wurde ein Modell vorgestellt, mit dem erklärt werden kann, weshalb sich nach der Delamination nur einige wenige Moleküllagen 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 Auffälligkeiten von delaminierten Ag/NTCDA-Kontakten untersucht: Die erste waren topographische Strukturen, die im Lichtmikroskop Löcher in der Metallschicht zu sein schienen. Diese erwiesen sich im Rasterkraftmikroskop (RKM) als lokal begrenzte Bereiche mit erhöhter Rauheit. Die zweite topographische Auffälligkeit waren Bereiche auf den delaminierten Ag/NTCDA-Kontakten, die im Lichtmikroskop als dunkle Flecken verschiedener Größe 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 Übertragung der Erfahrungen und Ergebnisse dieser Arbeit auf andere Systeme möglich ist. Das hier erfolgreich angewandte Delaminationskonzept besticht durch einfache Handhabung und Untersuchungsmöglichkeiten im UHV. Gerade im Hinblick auf eine vollständige in-situ Präparation und Delamination gibt es jedoch noch erhebliches Optimierungspotential, bis die Untersuchung von verborgenen Grenzflächen anderer Systeme, die besonders empfindlich gegenüber Umgebungsbedingungen sind, erfolgreich durchgeführt werden und zur Optimierung von "organischen" Bauteilen beitragen können.…
• The knowledge of structural and electronic properties of buried metal/organic semiconductor interfaces is crucial for the optimisation and the improvement of devices based on organic semiconductors. The present thesis establishes an optimised concept of a delamination technique suitable for ultra high vacuum (UHV) with which model systems of buried interfaces were made accessible for surface sensitive methods which were applied to investigate their electronic and topographical properties. The experience with and results of this work areThe knowledge of structural and electronic properties of buried metal/organic semiconductor interfaces is crucial for the optimisation and the improvement of devices based on organic semiconductors. The present thesis establishes an optimised concept of a delamination technique suitable for ultra high vacuum (UHV) with which model systems of buried interfaces were made accessible for surface sensitive methods which were applied to investigate their electronic and topographical properties. The experience with and results of this work are valuable for the investigation and optimisation of organic devices and their buried interfaces. A primary focus of this work is on the question how buried interfaces could be accessed successfully for surface sensitive methods using buried metal/NTCDA and metal/PTCDA interfaces as model systems. Having found an adhesive which was able to meet the demands of strength, processing and UHV-suitability it was proved that it is possible, with some care, to access the buried interfaces directly. Contacts of approximately 10 × 15 mm2 in size were accessed. Furthermore, the experience showed that the adhesive plays a decisive role for the quality of delaminated contacts: On the one hand the size of the delaminated contacts is determined by the properties of the adhesive, on the other hand its chemical compounds determine the degassing and diffusion properties which have an influence on the degree of contamination of the delaminated interface. Moreover adhesive tapes were successfully used, which were easy to handle for the delamination of buried interfaces by means of thicker metal contact layers. Moreover, the whole process of preparation and subsequent delamination of a buried interface was successfully performed in-situ in UHV. The thermal desorption of molecular layers from delaminated metal contacts proved to be difficult. Thinning out the molecular layers thermally (100−250_C), makes the change in morphology of the metal contact underneath inevitable. Additionally, concepts are discussed with which layers of PTCDA were removed from delaminated contacts by means of solvents in order to investigate the contact topography thereupon. It is assumed that there is an influence of the solvents on the delaminated contact but on a small scale. The second focus of the thesis is on the investigation of the electronical and topographical properties of the buried interfaces, for which some similarities between delaminated metal (Au,Ag)/ PTCDA- and Ag/NTCDA interfaces were found: After the delamination of top-contacts there were inhomogeneous layers of molecules on the metal contacts. Whereas PTCDA covered metal contacts had thicker molecular layers (4 − 5 ML PTCDA on Ag), NTCDA covered contacts showed only one monolayer coverage over large areas of at least 2 mm in diameter. There were also topographical similarities. Regions with multilayer coverage showed smooth surfaces whereas metal surfaces showed a fissured, meander-like and rough surface. Both contact systems also had in common that the adhesive made PES investigations of valence states very difficult. Furthermore, it was possible to thin out the molecular layers thermally but afterwards no valence states could be measured. The last aspect both contacts had in common was the influence of the adhesive on the topography of the metal surfaces. The topographical structures of the contacts were massively altered due to thermally induced, micro- and macroscopically noticeable changes as well as the creation of blisters of the adhesive. Investigating in-situ delaminated buried interfaces, the focus was on metal (Au,Ag)/PTCDA interfaces first. The revealed interfaces of delaminated Au/PTCDA contacts were not intact after delamination and showed holes in the metal layer of several microns in diameter. Through these holes the adhesive (VACSEAL) could be measured and seen on the buried interface by means of PES and optical microscopy, respectively, which made UPS investigations of valence states of thin PTCDA layers rather difficult. The PTCDA multilayer HOMO was found to be at approx. 2.3 eV for delaminated Au/PTCDA contacts. The investigation of Ag/PTCDA contacts showed intact metal films after delamination. The molecular layers could be successfully desorbed thermally at 260_C to 1-3 monolayers so that valence states were investigated. The adhesive, however, made investigations rather difficult. The spectra of the in-situ delaminated and thermally desorbed Ag/PTCDA contact were noticeably broadened so that the positions of HOMO and FLUMO could only be estimated at 1.9 eV and 0.7 eV, respectively. Additionally, interfaces of Ag/NTCDA contacts were investigated. By incrementally increasing the thickness of the metal layer the influence of the adhesive on the Ag/NTCDA contacts was successfully minimised or even made the use of the liquid adhesive dispensable. Even at silver thicknesses of 2.5 μm the buried interfaces can be delaminated in that way that there are parts of the contact having no adhesive underneath. In this case one third of the contact was glued to a substrate and the remaining two thirds were investigated without amounts of adhesive material. Not only the usage of adhesive tapes, which are easier to handle, was a further success as far the delamination process is concerned, but also the fact that Ag/NTCDA contacts were delaminated in that way which had a coverage of only a few monolayers. Consequently, the interaction between molecules and metal of the buried interface could be investigated without the contact being heated for curing the adhesive or for molecule desorption. With UPS it was found that the HOMO position was at 2.3 eV and the position of the FLUMO at 0.6 eV. Additionally, the work function was determined to be 4.9 eV. Furthermore, the valence structure of a contact was investigated which was prepared and delaminated completely in-situ without breaking the UHV. The results did not show any discrepancies to those where contacts were being exposed to air for gluing. Also, a model is presented which could help to explain why only monolayers remain on the metal contact after delamination. Investigations of the topography revealed that delaminated Ag/NTCDA contacts are relatively rough at a RMS-roughness in the range of 18-24 nm and had a skewness of 0.5 to 1.5. Finally, two peculiarities of delaminated Ag/NTCDA contacts were investigated: The first one were topographical structures which seemed to be holes in the metal layer seen through the optical microscope. By means of atomic force microscopy (AFM) it was revealed that these structures where small areas of a higher roughness. The second topographical peculiarity were dark areas of different sizes on delaminated Ag/NTCDA contacts seen in the optical microscope. AFM investigations could identify these dark areas as NTCDA-crystallites which had a thickness between 500 to 600 nm. Summing up, it should be noted that all experiences and results of this work can also be translated successfully to other systems. The advantages of the delamination concept used here is the simple handling and the possibility to do investigations under UHV conditions. Regarding the complete in-situ preparation and delamination there is still a potential to optimise the set-up. In doing so, other systems of buried interfaces being sensitive to ambient conditions could be investigated successfully in order to improve and to optimise organic based electronic devices.…