Tintenstrahldruck für Halbleiterpolymerschichten mit anisotropen elektronischen Eigenschaften

Diese Arbeit beschäftigt sich mit den anisotropen Eigenschaften von tintenstrahlgedruckten organischen Halbleiterschichten und deren Herstellungsverfahren. Um die Herausforderungen für eine leistungsfähige und reproduzierbare Herstellung von organischen Halbleiterbauteilen zu bewältigen, muss die Prozessierung von Tinten mit darin gelösten Halbleitermaterialien entwickelt werden. Eine der größten Hürden ist dabei die Trocknung der applizierten flüssigen Schicht, deren letztendliche Morphologie die Grundlage für die optischen und elektronischen Eigenschaften einer Anwendung bildet. Die im Labormaßstab herge-stellten Bauteile, basierend auf Schleuderbeschichtung, sind nur schwer auf industrielle Druckprozesse übertragbar, da die Anforderungen an die physikalischen Eigenschaften der Tinten grundlegend verschieden sein können. Um ein Druckverfahren anwenden zu können, muss außer den viskoelastischen Fluideigenschaften für die grundsätzliche Prozessierbarkeit auch die Benetzung auf der zu bedruckenden Substratoberfläche und der anschließenden Trocknung zwingend berücksichtigt werden. Zur Untersuchung der rheologischen Eigenschaften einer Tintenformulierung für organischer Halbleiter wurde eine Modelltinte basierend auf Polymethylmethacrylat (PMMA) und Poly(3-hexylthiophen) (P3HT) in Chlorbenzol, Dichlorbenzol, Trichlorbenzol und deren Mischungen verwendet. Einzelne tintenstrahlgedruckte Tropfen wurden in ihrem Höhenprofil vermessen, um den Einfluss der Tintenzusammensetzung und Prozessparameter auf die Randüberhöhungen und den Marangoni-Effekt zu untersuchen. Dabei zeigte sich, dass die Vorhersagen der auf Gleichgewichtszuständen basierenden Theorien nur bedingt auf die experimentellen applizierten Dünnschichten anwendbar waren. Um der Problematik der Trocknungseffekte zu entgehen, wurde ein neuer Ansatz für die Fluidformulie-rung entwickelt. Neben einem Trägerlösungsmittel und dem zu applizierenden organischen Halbleiterpolymer enthält die Lösung ein Kristallisationsmittel. Dabei handelt es sich bei Raumtemperatur um ein organisches kristallines Material, welches sich im Trägerlösungsmittel löst und in flüssiger Form in der Lage ist den Halbleiter zu lösen. Durch geeignete Druckparameter wird das Kristallisationsmittel in der applizierten Schicht während der fortschreitenden Trocknung zu einer gerichteten Rekristallisation gezwungen, dessen Kristalle als Substratoberfläche zur epitaktischen Abscheidung des Polymers dienen. Dabei wird der flüssige Film immobilisiert und der Materialfluss wird gestoppt. In Abhängigkeit der Prozessparameter und des verwendeten Halbleiters können verschiedene Faserschichten entstehen, welche sich im Grad ihrer Anisotropie, der Faserorientierung und in ihrem Faserdurchmesser stark unterscheiden. Es handelt sich hierbei um die erste literaturbekannte Herstellung anisotroper Schichten mit einem Tintenstrahldruckprozess und einer kristallisationsmittelbasierenden Tinte. Im ersten Ansatz entstanden mikroskalige P3HT-Fasern mit hohem Orientierungsgrad. Die Prozesspara-meter wurden so gewählt, dass das Kristallisationsmittel Trichlorbenzol noch bei fortschreitendem Druck rekristallisierte und sich in Richtung der wandernden Trocknungszone der frisch gedruckten Tinte ausrichtete. Das Kristallisationsmittel wurde anschließend im Vakuum durch Sublimation entfernt. Es konnten hohle röhrenartige Faserstrukturen identifiziert werden. Rasterelektronenmikroskopieaufnahmen zeigten in den Fasern große Hohlräume, welche zuvor die Trichlorbenzolkristalle beinhalteten. IR-Spektroskopie und GIWAXS-Messungen zeigten, dass sich das P3HT-Polymerrückgrat entlang der Fasern mit einer radialsymmetrischen Verteilung um den hohlen Kern anordnete, was zuvor noch nicht in der Literatur vorgestellt wurde. Polarisationsabhängige Absorptionmessungen sowie die elektrische Charakterisierung von Transistoren der Faserschichten zeigten ebenfalls anisotrope Eigenschaften. Darüber hinaus wurde die Faserbildung auf die verschiedenen Prozessparameter Kristallisationsmittel-konzentration, Substrattemperatur, Druckgeschwindigkeit, Tropfenabstand bzw. Auflösung und ver-schiedene Halbleiterpolymere in Linienmustern untersucht. Dabei zeigten P3HT und PIF8-TAA auf Grund ihrer chemischen Zusammensetzung unterschiedliche Druckbilder. Die Höhenprofile der getrockneten Schichten wurden zur Bestimmung der Rauheit vermessen. Um den Grad der Anisotropie und Faserorientierung in Abhängig der Prozessparameter zu bestimmen, wurden Mikroskop-Ramanspektroskopie und Photolumineszenzmessungen durchgeführt, die eine Korrelation zwischen x- und y-Richtung zeigten

Multispectral electroluminescence enhancement of single-walled carbon nanotubes coupled to periodic nanodisk arrays

The integration of periodic nanodisk arrays into the channel of a light-emitting field-effect transistor leads to enhanced and directional electroluminescence from thin films of purified semiconducting single-walled carbon nanotubes. The maximum enhancement wavelength is tunable across the near-infrared and is directly linked to the periodicity of the arrays. Numerical calculations confirm the role of increased local electric fields in the observed emission modification. Large current densities are easily achieved due to the high charge carrier mobilities of carbon nanotubes and will facilitate new electrically driven plasmonic devices

Comparative Study of Printed Multilayer OLED Fabrication through Slot Die Coating, Gravure and Inkjet Printing, and Their Combination

In this study, multilayer organic light-emitting diodes (OLEDs) consisting of three solution-processed layers are fabricated using slot die coating, gravure printing, and inkjet printing, techniques that are commonly used in the industry. Different technique combinations are investigated to successively deposit a hole injection layer (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)-poly(styrenesulfonate) (PEDOT:PSS)), a cross-linkable hole transport layer (N,N′-bis(4-(6-((3-ethyloxetan-3-yl)methoxy)-hexyloxy)phenyl)-N,N′-bis(4-methoxyphenyl)biphenyl-4,4′-diamin (QUPD)), and a green emissive layer (TSG-M) on top of each other. In order to compare the application techniques, the ink formulations have to be adapted to the respective process requirements. First, the influence of the application technique on the layer homogeneity of the different materials is investigated. Large area thickness measurements of the layers based on imaging color reflectometry (ICR) are used to compare the application techniques regarding the layer homogeneity and reproducible film thickness. The total stack thickness of all solution-processed layers of 32 OLEDs could be reproduced homogeneously in a process window of 30 nm for the technique combination of slot die coating and inkjet printing. The best efficiency of 13.3 cd A⁻¹ is reached for a process combination of slot die coating and gravure printing. In order to enable a statistically significant evaluation, in total, 96 OLEDs were analyzed and the corresponding 288 layers were measured successively to determine the influence of layer homogeneity on device performance