Las propiedades de las películas de semiconductores orgánicas y, en particular, de las
interfases involucradas, son uno de los aspectos más prominentes en relación con la
eficiencia de los dispositivos orgánicos. La interfase formada entre dos materiales
orgánicos puede influenciar las propiedades electrónicas y ópticas de los dispositivos de
diferentes manteras: por los mecanismos de crecimiento, la morfología, la densidad de
defectos y la estructura electrónica.
El impacto de la orientación molecular en interfases de materiales orgánicos es una de las
cuestiones menos entendidas y menos investigadas en relación con la eficiencia de células
solares orgánicas. Mediante el uso de microscopia de sonda cercana (SPM) y
fotoluminiscencia, se ha demostrado en esta tesis una correlación clara entre la
orientación molecular en la interfase de DIP (donor)/PTCDI-C8 (aceptor) y la formación de
un estado de transferencia de carga para aquellas heteroestructuras en las que el solape
de los orbitales p en moléculas adyacentes es favorecido. Otro tipo de interfase de
materiales orgánicos de gran relevancia se encuentra en los transistores orgánicos de
película delgada (TFTs), en el que el dieléctrico es funcionalizado con películas orgánicas
autoensambladas (SAMs). El uso de SAMs es una tecnología muy prometedora en la
manufacturación de transistores orgánicos para conseguir voltajes de operación deseados
dado que el voltaje umbral de operación puede ser modulado mediante la elección de las
SAMs. El origen físico de este fenómeno ha sido muy debatido en la literatura y permanece
una cuestión abierta. Microscopia de sonda Kelvin ha sido empleada como herramienta
para explorar las propiedades electrónicas de la interfase entre DNTT (semiconductor
orgánico) y dos SAMs con cadenas alquílica terminadas en grupos metil o metil
fluorinados. Dicho estudio en correlación con la operación de los TFTs con DNTT ha
revelado que el voltaje umbral depende de la capacitancia del dieléctrico solamente para
la SAM fluorinada y se ha determinado que se debe a la interacción electrónica en la
interfase entre DNTT y los grupos F de la SAM.
En conjunto, los estudios realizados en esta tesis combinan una serie de métodos
sistemáticos y técnicas complementarias que han permitido abordar el efecto de procesos
electrónicos en interfases de relevancia en células solares y TFTs. Los resultados de esta
tesis ponen de manifiesto la importancia del control de las propiedades estructurales y
electrónicas de las interfases de materiales orgánicos como paso necesario para mejorar
la eficiencia de dispositivos.Thin-film and interface properties of organic semiconductors are among the most
prominent aspects with regard to the overall performance of organic electronic devices.
The interface formed between two organic materials can influence the electronic and
optical properties of organic electronic devices by determining the growth mechanisms,
morphology, defect density and the electronic interface structures of organic films.
The impact of the relative molecular orientation at the organic/organic interface on the
performance of organic solar cells is one of the less understood factors and thus, it
represents an outstanding opportunity for research and technologies based on the control
of the local molecular ordering of the organic molecules in donor/acceptor organic
photovoltaics. Using state-of-the-art scanning probe microscopy techniques and
photoluminescence studies a clear link between the relative molecular orientation of the
DIP (donor)/PTCDI-C8 (acceptor) heterostructures and an emissive charge transfer state
is demonstrated, which is ultimately associated with an efficient π-orbital overlap at the
interface.
Another extremely interesting organic/organic interface is the one found in organic thinfilm
transistors (TFTs), where the gate dielectric contains organic species such as selfassembled
monolayers (SAMs). The use of SAMs opens an appealing path of research in
manufacturing TFTs with the desired operating voltages, due to the observation that the
threshold voltage can be modulated using different SAMs. Revealing the underlying
mechanisms of this phenomenon, which is known as threshold-voltage shift, signifies a
considerable challenge. Kelvin probe force microscopy (KPFM) was used as a powerful
tool to explore at the nanoscale the electronic properties at the interface between DNTT
and two different SAMs namely an alkly- and a fluoroalkylphosphonic acid SAM. A
systematic series of KPFM investigations combined with the analysis of the transistor
parameters reveals gate-oxide capacitance-dependent threshold-voltage shift as a result
of interface electronic interactions at the DNTT/fluoroalkyl SAM interface. On the
contrary, the DNTT transistors with the alkyl SAMs exhibit a small capacitanceindependent
threshold-voltage shift, associated with the intrinsic dipole-induced
electrostatic potential of the SAM.
Together, the studies carried out in this thesis represent innovative approaches utilizing
controlled organic semiconductor processing methods and complementary techniques,
which enabled us to achieve a better understanding of different electronic processes at the
interfaces involved in organic solar cells and organic thin-film transistors. This thesis
emphasizes the relevance of achieving controlled interface architectures with exciting
potential for future interface engineering in organic electronic devices