English Title: Infrared ellipsometry investigations of the influence of humidity and heat on organic semiconductors and of the dependence of the dielectric function of gold films from their morphology

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Abstract

Die dielektrischen Funktionen von Dünnfilmen untersuchter, polykristalliner organischer Halbleiter, die sich aus Infrarotellipsometrie- (IRSE)-Messungen ermitteln lassen, sind raumrichtungsabhängig. Am Beispiel von Merocyanin wird gezeigt, dass durch einen Vergleich der dielektrischen Funktion mit quantenchemisch berechneten Schwingungsanregungen, die mittlere Orientierung der Moleküle in Dünnfilmen bestimmt werden kann. Eine Orientierungsänderung durch Erwärmen der Filme liefert eine Erklärung für die Verdopplung des Füllfaktors einer Merocyanin/C60-Solarzelle. An Dünnfilmen eines Naphthalindiimids wird nachgewiesen, dass der Einfluss von erhöhter Luftfeuchte und Temperatur zur Ausdehnung der Kristallite und zur stellenweise Entnetzung des genutzten SiO2/Si-Substrats führt. Hier werden die IRSE-Messungen, in denen sich eine Erhöhung der Molekülordnung parallel zur Substratoberfläche beobachten lässt, mit Rasterkraftmikroskopie- (AFM)-Aufnahmen kombiniert. Auf den Filmen aufbauende Transistoren zeigen einen starken Abfall des Stromflusses und die Zunahme einer unbeabsichtigten Dotierung mit der Lagerungszeit in erhöhter Feuchte und Wärme. In trockener Wärme kann die Dotierung reduziert werden. Für Polytriarylamin-Dünnfilme wird eine Oxidation bei Lagerung in erhöhter Temperatur nachgewiesen. Des Weiteren wird die Herstellung solcher Filme per Flexodruck untersucht, wobei sich Verunreinigungen in den Filmen finden lassen. Ergänzend wird gezeigt, dass die Modellierung von IR-Spektren rauer Goldfilme durch einen einfachen Drude-Oszillator zu einer effektiven Plasmafrequenz führt, die sich von derer glatter Filme unterscheidet und mit dem metallischen Volumenanteil eines effektiven Mediums aus Gold und Hohlräumen skaliert. Die Streurate hingegen erhöht sich mit sinkender Größe der in AFM-Bildern beobachteten Goldkristallite.

Translation of abstract (English)

The dielectric functions of investigated polycrystalline organic semiconductor thin films determined by infrared spectral ellipsometry (IRSE) measurements are dependent of direction in space. Taking merocyanine as an example, it is shown that the average orientation of molecules in thin films can be obtained from a comparison of dielectric function and quantum chemical calculations of vibrational excitations. An observed orientational change after heat treatment provides explanation for a twofold increase in fill factor of a merocyanine/C60 solar cell. Within investigations of naphthalene diimide thin films it is established that influence of elevated humidity and temperature lead to enlargement of the thin films’ crystallites and partially dewetting of the SiO2/Si substrate. Here IRSE measurements revealing increasement of molecular orientation parallel to substrate surface are combined with findings from atomic force microscopy (AFM) pictures. Transistors incorporating these thin films show severe decrease of current flow and increase of unintended doping with storage duration in elevated humidity and heat. Dry heat reduces unintended doping. Investigations of polytriarylamine thin films stored at elevated temperature reveal oxidation of chemical bonds. Furthermore, fabrication of such films by flexography is studied. The process leaves residues of the printing plate in thin films. Additionally, it is shown, that modeling rough gold films using a simple Drude oscillator leads to an effective plasma frequency differing from the value of ideally flat films and correlating with the metal volume fraction of an effective medium composed of gold and empty volume. In contrast, relaxation rate increases with decreasing size of gold crystallites obtained from AFM pictures.