Preparation and Characterization of thin films of organic semiconductors and their heterostructures

Diese Arbeit ist eine Zusammenfassung der Studien zur Präparation und spektroskopischen Charakterisierung von Dünnfilmen des organischen Halbleitermoleküls Perfluoropentacen (PFP) und Pentacenetetrone (P-TET), sowie von Heterostrukturen von PFP und Pentacen (PEN) und von PEN und Buckminster-Fulleren (C60). Durch die Kombination verschiedener Messtechniken wurden die Morphologie und Struktur der Dünnfilme analysiert und der Effekt von Veränderungen des Präparationsprozesses wie zum Beispiel der Variation der Diffusionslängen der Moleküle durch Einstellung der Substrattemperatur auf die Dünnfilme untersucht. Durch die gezielte Auswahl von Substraten verschiedener geometrischer und chemischer Eigenschaften wurden molekulare Dünnfilme in verschiedener, hochgeordneter Ausrichtung hergestellt. Dies ermöglichte die detaillierte polarisationsaufgelöste spektroskopische Vermessung dieser Dünnfilme, wodurch die anisotropen elektronischen, morphologischen und Vibrationseigenschaften der organischen Halbleitermoleküle in kristalliner Form bestimmt werden konnten. Weiterhin wurde der Einfluss der nanoskopischen Qualität des Trägersubstrates auf die resultierenden Dünnfilm-Eigenschaften für die Kombination von hochorientiertem pyrolitischen Graphit (HOPG) als Substrat und PFP und P-TET als Adsorbate untersucht. Hierbei zeigte sich, dass die schwache, aber effiziente Wechselwirkung zwischen dem Graphit-Substrat und dem Adsorbat in einer planaren Adsorptionsgeometrie und großer Kristallitgröße der Acene auf HOPG resultiert. Dies ist speziell interessant, da es spektroskopischen Zugang zu Dünnfilmen in liegender molekularer Orientierung ermöglicht, ohne dass die Moleküle durch starke Wechselwirkung mit dem Substrat chemisch verändert werden, wie es oft bei Kontakt mit Metalloberflächen der Fall ist. Durch Variation der Substratqualität wurde festgestellt, dass bereits mikroskopische Fehlstellen im Substrat diesen Effekt unterbinden, sodass die Substratqualität als kritischer Parameter für die Strukturbildung in molekularen Dünnfilmen identifiziert wurde. Im Falle der Deposition von PFP auf HOPG wurde eine neuartige Kristallphase (Polymorphismus) von PFP entdeckt, in der die PFP-Moleküle relativ zueinander parallel stapeln statt das typische Herringbone-Muster einzunehmen. Weiterhin wurden die PFP-Metall-Grenzflächen an den Metallen Gold, Silber und Kupfer studiert. Da diese Grenzflächen von entscheidender Bedeutung für die Effizienz realer Bauteile sind, ist ihr Verständnis und die Stabilität dieser Grenzfläche von großer Bedeutung für die Weiterentwicklung organischer elektronischer Bauteile. Es zeigte sich hierbei, dass die für PFP postulierte Stabilität gegenüber katalytischen Prozessen weitaus schwächer ist als vorhergesagt. Als Konsequenz treten an Grenzflächen mit reaktiven Silber- und Kupferoberflächen bei Zufuhr von thermischer Energie signifikante Veränderungen der strukturellen und elektronischen Eigenschaften auf, die bei hohen Temperaturen zu einer vollständigen Dissoziation des Moleküls führen. Zudem wurden Studien durchgeführt, die zu einem erweiterten Verständnis in der Strukturbildung und Wechselwirkung organischer Moleküle miteinander beitragen sollen. Solche organische Heterostrukturen sind von großer Bedeutung, da eine Vielzahl prototypialer elektronischer Bauelemente, wie beispielsweise organischer Solarzellen oder ambipolarer organischer Feldeffekttransistoren, auf Kombinationen mehrerer Komponenten zurückgreifen. Da die Effizienz dieser Bauteile wiederum kritisch von der elektronischen Wechselwirkung, der Durchmischung und relativen Anordnung der Komponenten zueinander bestimmt wird, sind die Ergebnisse dieser Arbeit, in der anhand geeigneter Modellsysteme eben solche Zusammenhänge untersucht wurden, von großer Bedeutung. Als Modellsysteme wurden Heterostrukturen von PFP und PEN sowie von PEN und C60 untersucht. Aufgrund der hohen strukturellen und elektronischen Kompatibilität tritt kristalline molekulare Durchmischung von PEN und PFP auf. Es wurde in dieser Arbeit nachgewiesen, dass die vorhergesagte effektive Quadruopol-Wechselwirkung beider Komponenten zu elektronischer Wechselwirkung und erhöhter thermischer Stabilität gegenüber den Einzelkomponenten führt. Darauf aufbauend wurden verschiedene Präparationsmethoden zu ihrer Herstellung verglichen. Zudem wurden detaillierte Erkenntnisse über die Auswirkungen der Durchmischung auf die elektronischen Eigenschaften gewonnen. Obwohl Heterostrukturen von PEN und C60 dagegen molekularer Entmischung unterliegen, beeinflussen sie sich dennoch in ihrer Nanostruktur. Es wurde gezeigt, dass durch Einstellung der Diffusionslängen der Fullerene C60-Nanostrukturen unterschiedlicher Dimensionalität mit gezielter Anlagerung an PEN-Molekularstufen hergestellt werden können. Dies bietet die Möglichkeit zur Fabrikation vergrabener molekularer Nanostrukturen, die spektroskopisch adressiert werden können

Dissipative Dynamics with Trapping in Dimers

The trapping of excitations in systems coupled to an environment allows to study the quantum to classical crossover by different means. We show how to combine the phenomenological description by a non-hermitian Liouville-von Neumann Equation (LvNE) approach with the numerically exact path integral Monte-Carlo (PIMC) method, and exemplify our results for a system of two coupled two-level systems. By varying the strength of the coupling to the environment we are able to estimate the parameter range in which the LvNE approach yields satisfactory results. Moreover, by matching the PIMC results with the LvNE calculations we have a powerful tool to extrapolate the numerically exact PIMC method to long times.Comment: 5 pages, 2 figure

Equation of motion method for Full Counting Statistics: Steady state superradiance

For the multi-mode Dicke model in a transport setting that exhibits collective boson transmissions, we construct the equation of motion for the cumulant generating function. Approximating the exact system of equations at the level of cumulant generating function and system operators at lowest order, allows us to recover master equation results of the Full Counting Statistics for certain parameter regimes at very low cost of computation. The thermodynamic limit, that is not accessible with the master equation approach, can be derived analytically for different approximations.Comment: 7 pages, 3 figures, revised version, accepted by PR

Two-Particle Dark State in the Transport through a Triple Quantum Dot

We study transport through a triple quantum dot in a triangular geometry with applied bias such that both singly- and doubly- charged states participate. We describe the formation of electronic dark states -- coherent superpositions that block current flow -- in the system, and focus on the formation of a two-electron dark state. We discuss the conditions under which such a state forms and describe the signatures that it leaves in transport properties such as the differential conductance and shotnoise.Comment: (9 pages, 7 figures), we now consider two different sets of charging energie

Dynamics of interacting transport qubits

We investigate the electronic transport through two parallel double quantum dots coupled both capacitively and via a perpendicularly aligned charge qubit. The presence of the qubit leads to a modification of the coherent tunnel amplitudes of each double quantum dot. We study the influence of the qubit on the electronic steady state currents through the system, the entanglement between the transport double quantum dots, and the back action on the charge qubit. We use a Born-Markov-Secular quantum master equation for the system. The obtained currents show signatures of the qubit. The stationary qubit state may be tuned and even rendered pure by applying suitable voltages. In the Coulomb diamonds it is also possible to stabilize pure entangled states of the transport double quantum dots

Studienlandschaft Schwingbachtal: an out-door full-scale learning tool newly equipped with augmented reality

This paper addresses education and communication in hydrology and geosciences. Many approaches can be used, such as the well-known seminars, modelling exercises and practical field work but out-door learning in our discipline is a must, and this paper focuses on the recent development of a new out-door learning tool at the landscape scale. To facilitate improved teaching and hands-on experience, we designed the Studienlandschaft Schwingbachtal. Equipped with field instrumentation, education trails, and geocache, we now implemented an augmented reality App, adding virtual teaching objects on the real landscape. The App development is detailed, to serve as methodology for people wishing to implement such a tool. The resulting application, namely the Schwingbachtal App, is described as an example. We conclude that such an App is useful for communication and education purposes, making learning pleasant, and offering personalized options

Hardware-aware block size tailoring on adaptive spacetree grids for shallow water waves.

Spacetrees are a popular formalism to describe dynamically adaptive Cartesian grids. Though they directly yield an adaptive spatial discretisation, i.e. a mesh, it is often more efficient to augment them by regular Cartesian blocks embedded into the spacetree leaves. This facilitates stencil kernels working efficiently on homogeneous data chunks. The choice of a proper block size, however, is delicate. While large block sizes foster simple loop parallelism, vectorisation, and lead to branch-free compute kernels, they bring along disadvantages. Large blocks restrict the granularity of adaptivity and hence increase the memory footprint and lower the numerical-accuracy-per-byte efficiency. Large block sizes also reduce the block-level concurrency that can be used for dynamic load balancing. In the present paper, we therefore propose a spacetree-block coupling that can dynamically tailor the block size to the compute characteristics. For that purpose, we allow different block sizes per spacetree node. Groups of blocks of the same size are identied automatically throughout the simulation iterations, and a predictor function triggers the replacement of these blocks by one huge, regularly rened block. This predictor can pick up hardware characteristics while the dynamic adaptivity of the fine grid mesh is not constrained. We study such characteristics with a state-of-the-art shallow water solver and examine proper block size choices on AMD Bulldozer and Intel Sandy Bridge processors

Constraining a complex biogeochemical model for CO₂ and N₂O emission simulations from various land uses by model-data fusion

This study presents the results of a combined measurement and modelling strategy to analyse N₂O and CO₂ emissions from adjacent arable land, forest and grassland sites in Hesse, Germany. The measured emissions reveal seasonal patterns and management effects, including fertilizer application, tillage, harvest and grazing. The measured annual N₂O fluxes are 4.5, 0.4 and 0.1 kg N ha$^{-1}$ a$^{-1}$, and the CO₂ fluxes are 20.0, 12.2 and 3.0 t C ha$^{-1}$ a$^{-1}$ for the arable land, grassland and forest sites, respectively. An innovative model–data fusion concept based on a multicriteria evaluation (soil moisture at different depths, yield, CO₂ and N₂O emissions) is used to rigorously test the LandscapeDNDC biogeochemical model. The model is run in a Latin-hypercube-based uncertainty analysis framework to constrain model parameter uncertainty and derive behavioural model runs. The results indicate that the model is generally capable of predicting trace gas emissions, as evaluated with RMSE as the objective function. The model shows a reasonable performance in simulating the ecosystem C and N balances. The model–data fusion concept helps to detect remaining model errors, such as missing (e.g. freeze–thaw cycling) or incomplete model processes (e.g. respiration rates after harvest). This concept further elucidates the identification of missing model input sources (e.g. the uptake of N through shallow groundwater on grassland during the vegetation period) and uncertainty in the measured validation data (e.g. forest N₂O emissions in winter months). Guidance is provided to improve the model structure and field measurements to further advance landscape-scale model predictions

Template and Temperature Controlled Polymorph Formation in Squaraine Thin Films

Controlling the polymorph formation in organic semiconductor thin films by the choice of substrate and deposition temperature is a key factor for targeted device performance. Small molecular semiconductors such as the quadrupolar donor-acceptor-donor (D-A-D) type squaraine compounds allow both solution and vapor phase deposition methods. A prototypical anilino squaraine with branched butyl chains as terminal functionalization (SQIB) has been considered for photovoltaic applications due to its broad absorption within the visible to deep-red spectral range. Its opto-electronic properties depend on the formation of the two known polymorphs adopting a monoclinic and orthorhombic crystal phase. Both phases emerge with a strongly preferred out-of-plane and rather random in-plane orientation in spincasted thin films depending on subsequent thermal annealing. Upon vapor deposition on dielectric and conductive substrates, such as silicon dioxide, potassium chloride, graphene and gold, the polymorph expression depends on the choice of growth substrate. In all cases the same pronounced out-of-plane orientation is adopted, but with a surface templated in-plane alignment in case of crystalline substrates. Combining X-ray diffraction, atomic force microscopy, ellipsometry and polarized spectro-microscopy we identify the processing dependent evolution of the crystal phases, correlating morphology and molecular orientations within the textured SQIB films.Comment: 10 pages, 7 figure