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Markus Bronner
Ambipolarer Ladungstransport in organischen Halbleiter-Mischschichten bestehend aus C60 und CuPc
Betreuer: Prof. Dr. W. Brütting [Experimentalphysik IV]
Datum der mündlichen Prüfung: 20.06.2008
deutsch
In der vorliegenden Arbeit wird ambipolarer Ladungstransport in organischen Feldeffekttransistoren mittels Mischschichten aus Molekülen des p-leitenden Kupfer-Phthalocyanin und des n-leitenden Buckminsterfulleren realisiert. Diese Materialkombination ist aus der Forschung an organischen Solarzellen bekannt und kann als Modellsystem für ambipolaren Transport betrachtet werden. Die Beweglichkeiten für Elektronen und Löcher können über das Mischungsverhältnis eingestellt werden, wobei auch ausgeglichene Beweglichkeiten möglich sind. In dieser Arbeit wird der Einfluss des Mischungsverhältnisses auf die Beweglichkeiten, Schwellspannungen und die elektronischen Niveaus untersucht. Die Ladungsträgerbeweglichkeiten nehmen stark mit der Verdünnung der entsprechenden leitenden Phase durch die andere Materialsorte ab. Dies zeigt, dass der Transport einer Ladungsträgersorte durch Perkolation in der entsprechenden Phase der Mischschicht stattfindet. Eine starke Korrelation zwischen den Kontaktwiderständen und den Beweglichkeiten weist auf eine diffusionslimitierte Ladungsträgerinjektion hin. Eine Ladungsumordnung innerhalb des Kupfer-Phthalocyanins führt zu einer Ansammlung von Löchern an der organik/organik-Grenzfläche und beeinflusst dadurch die Schwellspannung für Löcher. Die elektronische Struktur wurde mittels Photoelektronenspektroskopie untersucht. Es stellte sich heraus, dass es keine chemische Reaktion zwischen den beiden Materialien gibt. Die gemeinsamen Austrittsarbeiten der Mischschichten ändern sich linear zwischen den Austrittsarbeiten der reinen Materialien. Zudem liegt ein konstantes Ionisierungspotenzial für die höchsten besetzten Zustände und die Rumpfniveaus der beiden Materialien vor. Des Weiteren wurden ambipolare Inverter aus Mischschichten der beiden Materialien hergestellt und mit komplementären Invertern, bestehend aus diskreten p- und n-Kanal Transistoren, verglichen. Dabei zeigten die experimentellen Ergebnisse und die entsprechenden Simulationen, dass in beiden Fällen ausgeglichene Elektronen- und Löcherbeweglichkeiten für symmetrische Inverterkennlinien benötigt werden. Es konnte auch gezeigt werden, dass die komplementären Inverter den ambipolaren in ihrer Performance überlegen sind. Auch die Potenzialverteilung innerhalb des Kanals der Transistoren wurde gemessen und simuliert. Dabei stellte sich heraus, dass das Potenzial nicht nur von den angelegten Drain- und Gatespannungen, sondern auch von den im Kanal vorhandenen Ladungsträgern, abhängt. Im Gegensatz zu bisherigen Veröffentlichungen findet keine Rekombination zwischen Elektronen und Löchern statt. In Folge dessen gibt es Bereiche im Kanal, in denen sowohl Elektronen als auch Löcher vorliegen.