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Organic Hole Transport Materials: Properties and Interface Formation

Frericks, Markus (2022):
Organic Hole Transport Materials: Properties and Interface Formation. (Publisher's Version)
Darmstadt, Technische Universität Darmstadt,
DOI: 10.26083/tuprints-00022397,
[Ph.D. Thesis]

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Item Type: Ph.D. Thesis
Status: Publisher's Version
Title: Organic Hole Transport Materials: Properties and Interface Formation
Language: English
Abstract:

This dissertation is related to organic semiconductor (OSC) materials for organic light emitting diode (OLED) applications investigated together with our project partner Merck KGaA. One often stated advantage of OSCs is the chemical flexibility to easily synthesize new molecules. A deeper understanding of the connection between molecular structure and device characteristics could lead to faster material screening and development. As contribution to this goal, the here presented work analyzes and discusses the properties of hole transport materials (HTMs) and especially their electronic interface properties. Indium tin oxide (ITO) substrates, a commercially available p-dopant, CPTCFA, a literature-known HTM, m-MTDATA, a commercial HTM from Merck KGaA, HTM-B, and aluminum are characterized as thin films by photoelectron spectroscopy (PES) to obtain the materials’ electronic properties. Ultraviolet, visible, near- and mid-infrared absorption spectroscopy on pure and p-doped HTM thin films correlated with density functional theory calculations provides insight into the doping mechanism. For CPTCFA:m-MTDATA, an integer charge transfer is observed. However, this is not the case for CPTCFA:HTM-B, suggesting the formation of a charge transfer complex in this case. The electronic properties at ITO | (p-)HTM hetero- and p-HTM | HTM homointerfaces are studied by PES in step-by-step deposition experiments. A novel density of states-based model for fitting the PES data is presented. This model is able to reproduce the classically obtained results at the heterointerfaces while providing more details and accurate electrical potential distributions. More importantly the model allows for the analysis of the homointerfaces and reveals an unexpected space charge region in the p-doped HTM layer. After the model is advanced, an increased number of states in the energy gap for the molecules of the undoped layer right at the interface is predicted. The interfaces between Al back-contacts and HTM as well as p-doped HTM layers are investigated. These interfaces are relevant for hole-only devices which are used to study effects on less complex device structures. It is shown that Al tends to diffuse into the organic thin film where it reacts with the dopant molecule, redopes the material, and strongly changes the electronic properties. This could be a problem, as this HTM | Al back-contact interface appears to have a strong influence on the properties of hole-only devices, potentially leading to conclusions which do not hold for full devices, where this interface does not exist. Finally, a low excitation energy electron emission (termed L4E) effect is observed. Free electrons are emitted by shining an ultraviolet LED on m-MTDATA thin films even though the photon energy is lower than the ionization potential of the material. The effect is most likely related to a triplet-triplet-annihilation mechanism and an application as room temperature electron source is discussed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Diese Dissertation untersucht organische Halbleiter (OHL) für die Anwendung in organischen Leuchtdioden (OLED) in Zusammenarbeit mit unserem Projektpartner Merck KGaA. Eine häufig genannte Eigenschaft von OHL ist die chemische Vielseitigkeit, welche es erlaubt neue Moleküle leicht zu synthetisieren. Ein tieferes Verständnis der Beziehung von molekularer Struktur zu Bauteileigenschaften könnte hier zu einer schnelleren Sichtung und Entwicklung neuer Materialien führen. Als Beitrag zu diesem Ziel, analysiert und diskutiert diese Arbeit die Eigenschaften von Lochtransportmaterialien (HTM) mit Fokus auf den elektronischen Eigenschaften. Die elektronischen Eigenschaften von Indium-Zinnoxid (ITO) Substraten, einem kommerziellen p-Dotanden, CPTCFA, einem literaturbekannten HTM, m-MTDATA, einem HTM von Merck KGaA, HTM-B, und Aluminium werden an Dünnschichten mittels Photoelektronenspektroskopie (PES) bestimmt. Absorptionsspektroskopie im ultravioletten, sichtbaren, sowie infraroten spektralen Bereich an reinen und p-dotierten HTM-Dünnschichten, in Verbindung mit Dichtefunktionaltheorieberechnungen, gibt Aufschluss über den Dotiermechanismus. Das System CPTCFA:m-MTDATA zeigt einen ganzzahligen Ladungsübertrag, während CPTCFA:HTM-B diesen nicht zeigt. Letzteres deutet auf die Bildung eines Ladungsübertragkomplexes hin. Die elektronischen Eigenschaften an ITO | (p-)HTM Hetero- und p-HTM | HTM Homogrenzflächen werden während schrittweisen Abscheidungsexperimenten mit PES untersucht. Ein neues Modell basierend auf Zustandsdichten zum Fitten von PES-Daten wird vorgestellt. Dieses Modell ermöglicht es die auf klassischem Wege erhaltenen Ergebnisse an den Heterogrenzflächen zu reproduzieren. Zusätzlich bietet es mehr Details und eine genauere Beschreibung des elektrischen Potentialverlaufs. Des Weiteren erlaubt das Modell erst die Analyse der Homogrenzflächen. Dies führt zur Entdeckung einer unerwarteten Raumladungszone in der p-dotierten HTM Schicht. Nach einer Weiterentwicklung des Modells wird eine erhöhte Anzahl von Zuständen innerhalb der Energielücke für Moleküle in der undotierten HTM-Schicht direkt an der Grenzfläche vorausgesagt. Die Grenzflächen zwischen dem Al-Rückkontakt und den HTM bzw. p-HTM Schichten werden untersucht. Diese Grenzfläche ist für reine Lochtransportbauteile relevant. Diese Lochtransportbauteile werden genutzt, um Effekte an weniger komplexen Bauteilstrukturen zu studieren. Es wird gezeigt, dass Al dazu neigt in die organische Schicht zu diffundieren, dort mit dem Dotiermolekül zu reagieren, das Material zu redotieren, und die elektronischen Eigenschaften stark zu verändern. Dies könnte ein Problem sein, da diese HTM | Al-Grenzfläche anscheinend einen starken Effekt auf die Eigenschaften von reinen Lochtransportbauteilen hat und so zu Schlussfolgerungen führen kann, welche sich nicht auf komplette Bauteile übertragen lassen, da diese Grenzfläche dort nicht vorkommt. Abschließend wird ein Effekt der niederanregungsenergetischen Elektronenemission (genannt L4E) beobachtet. Freie Elektronen werden durch die Beleuchtung einer m-MTDATA Dünnschicht mit einer ultravioletten LED erzeugt, obwohl die Photonenenergie niedriger ist als das Ionisationspotential des Materials. Dieser Effekt steht höchstwahrscheinlich im Zusammenhang mit einer Triplet-Triplet-Annihilationsmechanismus und eine Anwendung als (gepulste) Raumtemperatur Elektronenquelle wird diskutiert.

German
Place of Publication: Darmstadt
Collation: XIV, 173 Seiten
Uncontrolled Keywords: Organic semiconductor, Photoelectron spectroscopy, Surface Science, Interfaces, Doping
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 11 Department of Materials and Earth Sciences > Material Science > Surface Science
Date Deposited: 18 Oct 2022 12:12
Last Modified: 21 Oct 2022 12:52
DOI: 10.26083/tuprints-00022397
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-223973
Referees: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram ; Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Date of oral examination: 15 September 2022
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/22397
PPN: 500577323
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