Photoconductive Atomic Force Microscopy and Kelvin Probe Force Microscopy Measurements of Organic Semiconductor Nanostructures

Publikationen: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit(peer-reviewed)

Organisationseinheiten

Abstract

Organische Halbleiter sind von zunehmender Bedeutung für elektronische und optoelektronische Bauteilanwendungen. Sie sind kostengünstig und leicht auf großen biegsamen Flächen verarbeitbar. Organische Halbleiter werden bereits in organischen Leuchtdioden (OLED), organischen Feldeffekt Transistoren (OFET) und organischen Solarzellen eingesetzt. Es ist bekannt, dass die elektrischen Eigenschaften von dünnen Schichten organischer Halbleiter von der Morphologie abhängig sind. Die Heterogenität der Filme beeinflusst ihre optischen und elektrischen Transporteigenschaften. Der Hauptschwerpunkt der vorliegenden Arbeit ist die Untersuchung der elektronischen und optoelektronischen Eigenschaften organischer Solarzellen auf der Nanometerskala mit Hilfe von Photoleitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie (PC-AFM) und Photogestützer Rasterkelvinsondenmikroskopie (PA-KPFM). Sowohl PC-AFM, als auch PA-KPFM ermöglichen eine gleichzeitige Messung der elektrischen und optoelektrischen Eigenschaften zusammen mit der Topografie. Hier wurde der Zusammenhang zwischen der Heterogenität und der Effizienz der Licht-zu-Strom Umwandlung verschiedener Gemische mit unterschiedlichen Verhältnissen von AnE-PVstat und 1-(3-methoxycarbonyl)propyl-1-phenyl[6,6]C61 (PCBM) untersucht. Die AnE-PVstat : PCBM Proben zeigten eine Reaktion auf Beleuchtung mit weißem Licht (150 W Halogenlampe) bei Raumtemperatur, was ebenfalls mittels lokaler Strom-Spannungs-Kurven bestätigt wurde. Es wurde gezeigt, dass Messungen unter Umgebungsbedingungen eine Verschlechterung der elektrischen Eigenschaften verursachen. Die Photoleitfähigkeit wurde durch Aufheizen der Probe im Stickstofffluss auf 100°C teilweise wiederhergestellt. In den Strombildern kann eine höhere Leitfähigkeit der Matrix gegenüber den Körnern beobachtet werden. In einigen Fällen können kleine Körner von 100 nm - 150 nm Durchmesser mit stark reduzierter Leitfähigkeit gefunden werden. Kontaktpotenzialdifferenz (CPD)-Bilder gemessen mit PA-KPFM zeigten generell eine Abnahme der CPD unter Beleuchtung. Zusätzlich konnte eine geringere CPD der Matrix gefunden werden, was mit der erhöhten Leitfähigkeit, welche mittels PC-AFM beobachtet werden konnte, übereinstimmt. Weitere untersuchte Systeme waren Polyvinylidenfluorid (PVDF) - Poly(3-Methylthiophen) (P3MT) Kern-Hülle Nanopartikel mit Poly(3-Hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT) Binder sowie P3HT : PCBM Gemische auf PVDF. Eine Reaktion auf die Beleuchtung konnte bei diesen Systemen bei Raumtemperatur beobachtet werden, und zeigte auch keinerlei Anzeichen von Abbau bei Messungen unter Umgebungsbedingungen. Allerdings erschienen die mit PC-AFM aufgenommenen Topografie-Bilder wegen der geringen mechanischen Stabilität der Proben verschwommen. Weiters wurde PC-AFM auch zur Untersuchung der Temperaturabhängigkeit des Photostroms in dünnen C60 Filmen unter verschiedenen Beleuchtungsgraden angewendet, um die sogenannte Meyer-Neldel Regel zu bestätigen. Wie erwartet, wurde eine Arrhenius Abhängigkeit beobachtet. Jedoch liegt der Einfluss der Beleuchtung mit einer 150 W Xenon Lampe auf die gemessene Stromdichte unterhalb der Messgrenze, was an der schnellen Zersetzung der dünnen C60 Filme unter Umgebungsbedingungen liegt. Die amorphe Schicht hat eine Dicke von 280 nm und besteht aus Teilchen mit 50 nm bis 200 nm Durchmesser. Die kristalline Schicht besteht aus Kristalliten, die bis zu 700 nm groß sind, was in der selben Größenordnung liegt, wie die Schichtdicke mit ungefähr 800 nm. Strombilder der polykristallinen C60 Schicht zeigen die Existenz von kleineren Kristalliten mit bis zu 200 nm Größe, welche keine Leitfähigkeit aufwiesen, was auf schlechten elektrischen Kontakt zu benachbarten Körnern hinweist.

Details

Titel in ÜbersetzungPhotoleitfähigkeits-Rasterkraftmikroskopie und Rasterkelvinsondenmikroskopie-Messungen organischer Halbleiter-Nanostrukturen
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Gradverleihende Hochschule
Betreuer/-in / Berater/-in
Datum der Bewilligung1 Jul 2011
StatusVeröffentlicht - 2011