Terahertz electromodulation spectroscopy on organic semiconductors

Riederer, Philipp (2023): Terahertz electromodulation spectroscopy on organic semiconductors. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Die Entdeckung von halbleitenden organischen Materialien eröffnete ein faszinierendes Forschungsgebiet und ebnete den Weg für heute nicht mehr wegzudenkende Entwicklungen. Trotz der Vorteile hinsichtlich günstiger Produktion und vielfältiger Herstellungsmöglichkeiten, sind organische Halbleiter ihren kristallinen Gegenspielern in ihrer Leitfähigkeit unterlegen. Auf die Fragen warum das so ist und welche Mechanismen den Ladungsträgertransport maßgeblich hemmen, können keine eindeutigen Antworten gegeben werden. Diese Arbeit versucht den Anworten mithilfe der Terahertz (THz) Elektromodulations-Spektroskopie näher zu kommen, denn diese Methode erlaubt einen Einblick in die intrinsischen Transport-Phänomene von molekularen Halbleitern. Hierfür wird zu Beginn der Arbeit der experimentelle Aufbau des THz Spektrometers, die untersuchten Dünnfilm Strukturen, die Analyse der Elektromodulations-Daten sowie die Vorteile und Grenzen der Technik im Detail erklärt. Es stellt sich heraus, dass sich diese Technik hervorragend dafür eignet, alle heutzutage relevanten organischen Halbleiter-Materialien mit Mobilitäten bis hinab zu 1 cm²/Vs zu untersuchen. Ein besonderer Fokus dieser Arbeit liegt auf den Einflüssen der Grenzschichten innerhalb der Bauelemente. Wie die Rauigkeit der Isolator-Halbleiter Grenzfläche die Ladungsträgerverteilung im Bauelement bestimmt wird mithilfe von Berechnungen der selbstkonsistenten Poisson Gleichung ermittelt. Schon Rauigkeiten in der Größenordnung von einer molekularen Schicht resultieren in einer drastischen Verringerungen der Leitfähigkeit in dem Halbleiter. Bei der Untersuchung des Einflusses von Gold als Elektrodenmaterial wurde festgestellt, dass Gold-Ionen in Gegenwart eines elektrischen Feldes in den organischen Halbleiter migrieren. Dort agieren die Gold-Ionen als effiziente Loch-Fallen, was die Stabilität des Bauteils drastisch reduziert. Der Migrationsprozess ist thermisch aktiviert, teilweise umkehrbar und kann komplett umgangen werden, wenn man anstatt Gold Molybdänoxid verwendet. Die daraus resultierende verbesserte Stabilität der Bauelemente ist eine absolut notwendige Vorraussetzung für aussagekräftige frequenzaufgelöste THz Spektroskopie. Temperaturabhängige und frequenzaufgelöste Messungen an DBTTT Strukturen zeigen, dass weder Phonon-Streuung noch dynamische Lokalisierung die limitierenden Mechanismen der Leitfähigkeit sind. Es stellt sich heraus, dass nur ein Teil der injizierten Ladungsträger zum Bandtransport beiträgt. Der Großteil der Ladungsträger ist nicht mobil oder bewegt sich mit dem langsamen Hüpf-Transport. Insgesamt zeigt diese Arbeit, dass die THz Elektromodulations-Spektroskpie ein einzigartiges und fähiges Werkzeug ist, um organische Dünnfilme zu untersuchen. Außerdem unterstreicht sie, wie wichtig der Einfluss von Grenzflächenphänomenen innerhalb organischer Bauelemente auf den Ladungsträgertransport ist.

Abstract

The discovery of semiconducting organic materials opened a new fascinating field of research and paved the way for exciting developments. Besides the benefits of cheap fabrication and variable processing possibilities, organic semiconductors still exhibit worse performance in comparison to their crystalline counterparts. The corresponding questions "Why?" and "What mechanisms limit charge transport within organic electronic devices?" cannot be answered unambiguously. Within this work, the technique of terahertz (THz) electromodulation spectroscopy is used to gather unprecedented insight into the intrinsic charge transport mechanisms of molecular semiconducting thin-film devices. Therefore, the experimental THz spectroscopy setup, the investigated thin-film devices, the electromodulation data analysis methodology as well as advantages and limitations of the technique are presented in detail. It is shown, that this method is a powerful tool for most of today’s relevant organic materials as its sensitivity allows the detection of mobilities as low as 1 cm2/Vs. Furthermore, relevant interfaces within the field-effect devices are systematically investigated. The impact of the roughness of the insulator-semiconductor interface on the charge carrier distribution is inspected by combining two-dimensional atomic force microscopy scans with three-dimensional self-consistent Poisson calculations as this cannot be solely addressed by experimental means. It is found that the majority of charge carriers accumulates near the insulator interface. Thus, roughness in the order of already one molecular monolayer leads to a severe reduction in conductivity. Additionally, it is shown that charge carriers rarely undergo thermally activated hopping but travel within two-dimensional percolation pathways. Moreover, the influence of gold as top contact material is examined by THz spectroscopy. In presence of an applied bias, gold ions migrate into the devices accumulation channel and act as efficient hole traps. This phenomenon is found to be thermally-activated, partially reversible and can be circumvented by exchanging the gold with molybdenum oxide. The resulting devices exhibit long-term stability, which is crucial for frequency-resolved THz spectroscpy investigations. Field-effect devices with the small molecule semiconductor DBTTT are investigated using temperaturedependent and frequency-resolved THz electromodulation spectroscopy. Results show that neither phonon scattering nor dynamic localization are the main limiting mechanisms. It is found, that only a fraction of the injected charge carriers contribute to band transport while the vast majority is immobile or performs hopping transport. This work highlights the applicability of THz electromodulation spectroscopy as a unique and powerful tool for the investigation of organic thin-film devices and emphasizes the importance of interface phenomena on the intrinsic charge transport within molecular semiconductors.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 18. Oktober 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Kersting, Roland