Ortsaufgelöste Messungen an organischen Feldeffekt-Transistoren zur Studie von Injektions- und Rekombinations-Mechanismen
Final Report Abstract
Ziel des Antrags war, die lokalen elektronischen und optischen Eigenschaften von organischen Halbleiterschichten zu untersuchen. Hierfür wurden zwei technisch sehr verschiedene experimentelle Zugänge entwickelt. Zum einen haben wir eine neue experimentelle Rastermethode, die ortsaufgelöste Photostrom-Mikroskopie, entwickelt, die es erlaubt, optoelektronische Eigenschaften lateral mit einer Auflösung von ca. 500 nm abzubilden. Zum anderen haben wir während des Filmwachstums im Vakuum elektronische Transportmessungen durchgeführt, mit dem Ziel, tiefenaufgelöst elektrische Eigenschaften der Filme zu untersuchen. Zwei zentrale Ergebnisse wurden erzielt. Zum einen beobachten wir für Pentacene Transistoren in Kontaktnähe eine sehr schnelle Photoantwort. Da am Kontakt durch Injektionsbarrieren hohe Feldstärken möglich sind, nehmen wir an, dass es sich hierbei um feldinduzierte Exzitontrennung handeln könnte. Dafür spricht, dass die Photoantwort am Kontakt auch noch für die schnellsten Modulationsfrequenzen (200 kHz) beobachtet wurde. Die zweite Komponente der Photoantwort ist deutlich langsamer; sie nimmt für Frequnzen jenseits von 5 kHz schnell ab. Diese langsame Komponente ist örtlich inhomogen verteilt und durch Variation der Gatespannung konnten wir plausibel machen, dass dieser Strom von Ladungsträgern erzeugt wird, die durch Rekombination von Exzitonen mit Fallenzuständen freigesetzt werden. Die Abbildung der Photostrom-Antwort durch Rastertechniken erlaubt somit die Abbildung von Fallendichten in der Halbleiterschicht mit einer Auflösung von ca 500nm. Zum anderen konnten wir beobachten, dass es beim Aufwachsen einer elektronenleitenden Schicht auf einem p-Kanal Transistor zu einer starken Verschiebung der Kennlinie kommt, die auf eine gegenseitige Aufladung hinweist. Interessanterweise passiert diese Aufladung erst, nachdem erstmalig der n-Kanal beobachtet wurde, also erst nach Perkolation der C60 Schicht. Die Morphologie der C60 Schicht erlaubt es, diese experimentelle Beobachtung zu deuten. Bei Schichtdicken unterhalb 5 nm wächst C60 in Form von separierten "Tröpfen" auf, die ihrerseits einen Durchmesser von ca 8 nm aufweisen. Interessanter Weise legen Synchrotron-Messungen nahe, dass diese C60-Tröpfchen kristallin und in fcc(111) Richtung orientiert sind. Bis zu einer nominellen Schichtdicke von 5 nm berühren sich die C60-Tröpfchen nicht, d.h. Perkolation findet nicht statt. Ohne Perkolation kann offenbar auch kein Ladungsausgleich zwischen C60 und Pentacene erfolgen; das ist nicht verwunderlich da der Ladungsaustausch bei Halbleitergrenzflächen über ohmsche Kontakte erfolgt. Ohne Perkolation ist ein solcher ohmscher Kontakt im C60 aber gar nicht möglich, wie die Experimente schön belegen.
Publications
- Spatially resolved electronic and optoelectronic measurements of pentacene thin film Transistors. 2010, Dissertation LMU München, Fakultät für Physik.
Matthias Fiebig
- Thickness-dependent in-situ studies of trap states in pentacene thin film transistors Applied Physics Letters, Vol. 96.2010, Issue 8: 83304.
M. Fiebig, D. Beckmeier, B. Nickel
(See online at https://dx.doi.org/10.1063/1.3309685) - Dual channel operation upon n-channel percolation in a pentacene-C60 ambipolar organic thin film Transistor. Advanced Materials, Vol. 25. 2013, Issue 15, pp. 2147–2151.
S. Noever, S. Fischer, B. Nickel
(See online at https://doi.org/10.1002/adma.201203964) - Mapping of Trap Densities and Hotspots in Pentacene Thin-Film Transistors by Frequency-Resolved Scanning Photoresponse Microscopy. Advanced Materials, Vol. 25, Issue 40. 2013, pp. 5719–5724.
C. Westermeier, M. Fiebig, B. Nickel
(See online at https://doi.org/10.1002/adma.201300958) - Organic Molecular Semiconductors: Structure and Charge Transport at the Nanoscale. 2016, Dissertation LMU München, Fakultät für Physik
Christian Westermeier
