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EPDA - Elektronische Publikationen Darmstadt

Autor: Heil, Holger
Titel:Injektion, Transport und Elektrolumineszenz in organischen Halbleiterbauelementen
Dissertation:TU Darmstadt, Fachbereich Material- und Geowissenschaften, 2004

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Abstract auf Deutsch:


Gegenstand dieser Arbeit sind drei wichtige Aspekte für den Betrieb organischer Halbleiterbauelemente. Der Transport von Ladungsträgern, die Injektion in eine organische Halbleiterschicht sowie die Steuerbarkeit der Ladungsträger auf ein spezielles Lumineszenzmolekül oder in eine bevorzugte Elektrolumineszenz-Zone wurde an gezielt ausgewählten Materialien und Materialkombinationen untersucht. Die Ladungstransportuntersuchungen wurden an regioregularem Poly-3-hexylthiophen (rr-P3HT) durchgeführt. Dabei wurde der Transport von Löchern sowohl in organischen Leuchtdioden (OLEDs) und in organischen Feldeffekttransistoren (OFETs) untersucht. Die zugänglichen Materialparameter wurden ermittelt, verglichen und im Fall des OFETs die präparativen Einflüsse auf die Ladungsträgerbeweglichkeit der Funktionsschicht untersucht. Im Fall der OLEDs konnte die Strom- Spannungscharakteristik sehr gut mit Hilfe der Theorie der raumladungsbegrenzten Ströme beschrieben werden konnten. Die experimentell gewonnenen Materialkenngrößen dienten dazu die gemessene Charakteristik zu simulieren. Verschiedene Einflussgrößen auf den Ladungstransport in OFETs wurden bei Nutzung von rr-P3HT als Funktionsschicht systematisch untersucht. Neben der Orientierung des Polymerrückrats, wurden die Kristallinität und die Textur des rr-P3HT relativ zur Isolatoroberfläche mit Hilfe von elektrischen, optischen und röntgenographischen Methoden untersucht. Als Schlüssel zu hohen Feldeffektbeweglichkeiten konnte die Oberflächenbehandlung des Gate-Isolators identifiziert werden. Ebenfalls Gegenstand dieser Arbeit war die Klärung des Injektionsmechanismus für Elektronen von einer Al-LiF-Kathode in den organischen Elektronenleiter Tris(8-hydroxychinolinato)aluminium(III) (Alq3). Durch die gemessenen Strom-Spannungskennlinien konnte eindeutig gezeigt werden, dass die Reihenfolge der verwendeten Schichtsysteme einen erheblichen Einfluss auf die Elektroneninjektion in den Halbleiter hat. Eine sehr gute Elektroneninjektion konnte nur für den Fall gezeigt werden, dass LiF auf Alq3 und abschließend Al aufgedampft wurde. Die Reaktivität des gasförmigen Aluminiums während des Bedampfungsprozesses wurde als wichtiger Faktor identifiziert und eine chemische Reaktion dieses Metalls mit LiF vorgeschlagen. Mit Hilfe einer Tiefenprofilanalyse mittels der Sekundärionenmassenspektroskopie, dem Einsatz von verschieden Kathodenmetallen in Kombination mit LiF und thermodynamischen Rechnungen konnte das Modell gefestigt werden. Ebenfalls Gegenstand dieser Arbeit war die Integration des Farbstoffes Tris(dibenzoylmethan)(monophenanthrolin)europium(III) (Eu(dbm)3phen) in eine OLED. Obwohl durch Lumineszenzmessungen ein effizienter Energietransfer des Eu-Komplexes zu verschiedenen Matrix-Materialien auszuschließen war, gelang durch eine geeignete Bauteilarchitektur eine effektive Anregung dieses Komplexes. Die dazu benötigte Lenkung der Ladungsträger in eine bestimmte organische Funktionsschicht bzw. auf ein bestimmtes lumineszierendes Molekül gelang durch die Verwendung einer lochblockierenden Schicht. Das Sättigungsverhalten der Eu3+ Emission bei einer niedrigen Dotierkonzentration dieses Komplexes konnte durch den Bauteilstrom und die Lebensdauer des angeregten Eu-Zustands erklärt werden. Eine Steigerung der Lumineszenzausbeute gelang durch die Verwendung einer Emissionsschicht aus dem Eu-Komplex mit einer 20%igen Dotierung mit dem benachbarten Transportmaterial. Durch Analyse der Lumineszenzspektren in Kombination mit den Schichtfolgen der OLEDs wurde auf die Bildung einer Elektronenhaftstelle geschlossen und damit ein Verständnis des Elektrolumineszenzmechanismus erreicht.

Abstract auf Englisch:

In this work three important aspects concerning organic semiconducting devices were investigated. The charge transport, the injection in an organic semiconductor and the electroluminescence from an integrated molecule were studied. The charge transport was investigated using regioregular poly-3-hexylthiophene (rr-P3HT). The hole transport in this material was studied in organic light emitting diodes (OLED) and organic field effect transistors (OFET). In the case of OLEDs the current voltage characteristics was in excellent agreement with the theory of space charge limited currents. Using the technique of thermally stimulated currents an electronic trap could be identified. Further the current voltage characteristics could be simulated using the experimentally determined material parameters. Different influences on the charge transport in OFETs were investigated when using rr-P3HT as functional layer. The polymer alignment, the crystallinity and the texture of the polymer referring to the insulator surface were investigated using electrical, optical and x-ray techniques. It could be demonstrated that the texture of the rr-P3HT is the major key to achieve high field effect mobilities. Further the injection mechanism for electron from a Al-LiF-cathode into Tris(8-hydroxychinolinato)aluminium(III) (Alq3) was studied. With current voltage characteristics it could be shown, that the sequence of the evaporated layers have an important influence on the injection process. Only when LiF was evaporated on Alq3 and finally Al very good electron injection could be achieved. The reactivity of Al during evaporation was identified as very important. A chemical reaction of Al with the LiF was proposed. With a depth profile analyses using secondary-ion-mass-spectroscopy and the use of different cathode metals in combination with LiF and thermodynamic calculations the proposed mechanism could be confirmed. Further the integration of Tris(dibenzoylmethane)(monophenanthroline)europium(III) (Eu(dbm)3phen) in an OLED was studied. Although an effective energy transfer from the Eu-dye to different host materials could be excluded, it could be shown that in an adequate device architecture an excitation of this complex is possible. A saturation of the Eu3+ emission was found at small dopand concentration. This effect could be explained in terms of the device current and the lifetime of the excited Eu3+-state. An improved luminescence efficiency was achieved when doping the Eu-complex with the hole transport layer. Through the analysis of the electroluminescence spectra in combination with the device architecture of different OLEDs the formation of an electron trap was proposed and an understanding of the electroluminescence mechanism achieved
Dokument aufgenommen :2004-03-23
URL:http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000423