Injektion, Transport und Elektrolumineszenz in organischen Halbleiterbauelementen

Abstract

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