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Morphology, charge transport properties, and molecular doping of thiophene-based organic semiconducting thin films

Morphologie, Ladungstransporteigenschaften und molekulares Dotieren thiophenbasierter organischer Halbleiterschichten

  • Organic semiconductors combine the benefits of organic materials, i.e., low-cost production, mechanical flexibility, lightweight, and robustness, with the fundamental semiconductor properties light absorption, emission, and electrical conductivity. This class of material has several advantages over conventional inorganic semiconductors that have led, for instance, to the commercialization of organic light-emitting diodes which can nowadays be found in the displays of TVs and smartphones. Moreover, organic semiconductors will possibly lead to new electronic applications which rely on the unique mechanical and electrical properties of these materials. In order to push the development and the success of organic semiconductors forward, it is essential to understand the fundamental processes in these materials. This thesis concentrates on understanding how the charge transport in thiophene-based semiconductor layers depends on the layer morphology and how the charge transport properties can be intentionally modified by doping these layersOrganic semiconductors combine the benefits of organic materials, i.e., low-cost production, mechanical flexibility, lightweight, and robustness, with the fundamental semiconductor properties light absorption, emission, and electrical conductivity. This class of material has several advantages over conventional inorganic semiconductors that have led, for instance, to the commercialization of organic light-emitting diodes which can nowadays be found in the displays of TVs and smartphones. Moreover, organic semiconductors will possibly lead to new electronic applications which rely on the unique mechanical and electrical properties of these materials. In order to push the development and the success of organic semiconductors forward, it is essential to understand the fundamental processes in these materials. This thesis concentrates on understanding how the charge transport in thiophene-based semiconductor layers depends on the layer morphology and how the charge transport properties can be intentionally modified by doping these layers with a strong electron acceptor. By means of optical spectroscopy, the layer morphologies of poly(3-hexylthiophene), P3HT, P3HT-fullerene bulk heterojunction blends, and oligomeric polyquaterthiophene, oligo-PQT-12, are studied as a function of temperature, molecular weight, and processing conditions. The analyses rely on the decomposition of the absorption contributions from the ordered and the disordered parts of the layers. The ordered-phase spectra are analyzed using Spano’s model. It is figured out that the fraction of aggregated chains and the interconnectivity of these domains is fundamental to a high charge carrier mobility. In P3HT layers, such structures can be grown with high-molecular weight, long P3HT chains. Low and medium molecular weight P3HT layers do also contain a significant amount of chain aggregates with high intragrain mobility; however, intergranular connectivity and, therefore, efficient macroscopic charge transport are absent. In P3HT-fullerene blend layers, a highly crystalline morphology that favors the hole transport and the solar cell efficiency can be induced by annealing procedures and the choice of a high-boiling point processing solvent. Based on scanning near-field and polarization optical microscopy, the morphology of oligo-PQT-12 layers is found to be highly crystalline which explains the rather high field-effect mobility in this material as compared to low molecular weight polythiophene fractions. On the other hand, crystalline dislocations and grain boundaries are identified which clearly limit the charge carrier mobility in oligo-PQT-12 layers. The charge transport properties of organic semiconductors can be widely tuned by molecular doping. Indeed, molecular doping is a key to highly efficient organic light-emitting diodes and solar cells. Despite this vital role, it is still not understood how mobile charge carriers are induced into the bulk semiconductor upon the doping process. This thesis contains a detailed study of the doping mechanism and the electrical properties of P3HT layers which have been p-doped by the strong molecular acceptor tetrafluorotetracyanoquinodimethane, F4TCNQ. The density of doping-induced mobile holes, their mobility, and the electrical conductivity are characterized in a broad range of acceptor concentrations. A long-standing debate on the nature of the charge transfer between P3HT and F4TCNQ is resolved by showing that almost every F4TCNQ acceptor undergoes a full-electron charge transfer with a P3HT site. However, only 5% of these charge transfer pairs can dissociate and induce a mobile hole into P3HT which contributes electrical conduction. Moreover, it is shown that the left-behind F4TCNQ ions broaden the density-of-states distribution for the doping-induced mobile holes, which is due to the longrange Coulomb attraction in the low-permittivity organic semiconductors.show moreshow less
  • Organische Halbleiter kombinieren die molekulare Vielfalt und Anpassbarkeit, die mechanische Flexibilität und die preisgünstige Herstellung und Verarbeitung von Kunststoffen mit fundamentalen Halbleitereigenschaften wie Lichtabsorption und -emission und elektrischer Leitfähigkeit. Unlängst finden organische Leuchtdioden Anwendung in den Displays von TV-Geräten und Smartphones. Für die weitere Entwicklung und den Erfolg organischer Halbleiter ist das Verständnis derer physikalischer Grundlagen unabdingbar. Ein für viele Bauteile fundamentaler Prozess ist der Transport von Ladungsträgern in der organischen Schicht. Die Ladungstransporteigenschaften werden maßgeblich durch die Struktur dieser Schicht bestimmt, z.B. durch den Grad der molekularen Ordnung, die molekulare Verbindung von kristallinen Domänen und durch Defekte der molekularen Packung. Mittels optischer Spektroskopie werden in dieser Arbeit die temperatur-, molekulargewichts- und lösemittelabhängigen Struktureigenschaften poly- und oligothiophenbasierter Schichten untersucht.Organische Halbleiter kombinieren die molekulare Vielfalt und Anpassbarkeit, die mechanische Flexibilität und die preisgünstige Herstellung und Verarbeitung von Kunststoffen mit fundamentalen Halbleitereigenschaften wie Lichtabsorption und -emission und elektrischer Leitfähigkeit. Unlängst finden organische Leuchtdioden Anwendung in den Displays von TV-Geräten und Smartphones. Für die weitere Entwicklung und den Erfolg organischer Halbleiter ist das Verständnis derer physikalischer Grundlagen unabdingbar. Ein für viele Bauteile fundamentaler Prozess ist der Transport von Ladungsträgern in der organischen Schicht. Die Ladungstransporteigenschaften werden maßgeblich durch die Struktur dieser Schicht bestimmt, z.B. durch den Grad der molekularen Ordnung, die molekulare Verbindung von kristallinen Domänen und durch Defekte der molekularen Packung. Mittels optischer Spektroskopie werden in dieser Arbeit die temperatur-, molekulargewichts- und lösemittelabhängigen Struktureigenschaften poly- und oligothiophenbasierter Schichten untersucht. Dabei basiert die Analyse der Absorptionsspektren auf der Zerlegung in die spezifischen Anteile geordneten und ungeordneten Materials. Es wird gezeigt, dass sich hohe Ladungsträgerbeweglichkeiten dann erreichen lassen, wenn der Anteil der geordneten Bereiche und deren molekulare Verbindung in den Schichten möglichst hoch und die energetische Unordnung in diesen Bereichen möglichst klein ist. Der Ladungstransport in organischen Halbleitern kann außerdem gezielt beeinflusst werden, indem die Ladungsträgerdichte und die elektrische Leitfähigkeit durch molekulares Dotieren, d.h. durch das Einbringen von Elektronenakzeptoren oder -donatoren, eingestellt werden. Obwohl der Einsatz dotierter Schichten essentiell für effiziente Leuchtdioden und Solarzellen ist, ist der Mechanismus, der zur Erzeugung freier Ladungsträger im organischen Halbleiter führt, derzeit unverstanden. In dieser Arbeit wird der Ladungstransfer zwischen dem prototypischen Elektronendonator P3HT und dem Akzeptor F4TCNQ untersucht. Es wird gezeigt, dass, entgegen verbreiteter Vorstellungen, fast alle F4TCNQ-Akzeptoren einen ganzzahligen Ladungstransfer mit P3HT eingehen, aber nur 5% dieser Paare dissoziieren und einen beweglichen Ladungsträger erzeugen, der zur elektrischen Leitfähigkeit beiträgt. Weiterhin wird gezeigt, dass die zurückgelassenen F4TCNQ-Akzeptorionen Fallenzustände für die beweglichen Ladungsträger darstellen und so die Ladungsträgerbeweglichkeit in P3HT bei schwacher Dotierung absinkt. Die elektrischen Kenngrößen Ladungsträgerkonzentration, Beweglichkeit und Leitfähigkeit von F4TCNQ-dotierten P3HT-Schichten werden in dieser Arbeit erstmals in weiten Bereichen verschiedener Akzeptorkonzentrationen untersucht.show moreshow less

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Metadaten
Author:Patrick Pingel
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus-69805
Advisor:Dieter Neher
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2013
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2014/01/10
Release Date:2014/03/21
Tag:Morphologie; Polythiophen; molekulares Dotieren; organische Elektronik; organischer Halbleiter
molecular doping; morphology; organic electronics; organic semiconductor; polythiohene
RVK - Regensburg Classification:UP 3130
RVK - Regensburg Classification:UH 3500
RVK - Regensburg Classification:UP 3200
RVK - Regensburg Classification:UP 7500
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
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