7 Zusammenfassung und Ausblick

Transkript

1 7. Zusammenfassung 7.. Wachstum der Acene auf Metalloberflächen Zunächst wurde das zweidimensionale Wachstum der Acene, insbesondere Pentacen, auf die Ausbildung hochgeordneter Monolagenstrukturen hin untersucht. Es stellte sich heraus, dass die Verwendung von anisotropen Oberflächen die Bildung von Rotationsdomänen effektiv verhindert und so das Ordnungsverhalten optimiert. Tab. 7. zeigt die ermittelten Überstrukturen von Pentacen auf den in dieser Arbeit untersuchten Oberflächen. Unter diesen Oberflächen zeichnete sich vor allem Cu() als Substrat aus, auf dem Pentacen und Anthracen die sehr gut geordneten und dichtgepackten (6.5 ) bzw. c( ) Überstrukturen ausbildeten. Überstruktur Packungsdichte [Å ] RD Cu() (6.5 ) Cu() (6.5 ) 7 Cu() ( ) 5 Ag() c( 6) Au() c( 6) Tabelle 7.: Übersicht über die Pentacen-Überstrukturen auf den in dieser Arbeit untersuchten Oberflächen. Die Packungsdichte ist als die Fläche angegeben, die einem Molekül in der angegebenen Überstruktur zur Verfügung steht. RD bezeichnet die Anzahl der auftretenden Rotationsdomänen. Aus diesem Grund wurde die Monolage von Pentacen auf Cu() als Basis gewählt, um das weitere, dreidimensionale Wachstum von Pentacen auf Metalloberflächen zu studieren. Auf der Monolage bildete sich bis zu einer Filmdicke von ca. nm eine Phase, in der die Moleküle immer noch mit ihrer Längsachse parallel zur Oberfläche orientiert sind, dabei allerdings mit einem Winkel von 8 zwischen Molekülebene und Oberfläche verkippt sind. Für das weitere Wachstum erfolgt ein Phasenübergang in eine Phase, in der die Moleküle aufrecht stehen und die Molekülebene einen Winkel von 7 zur Oberfläche 5

2 einnimmt. Diese Orientierung entspricht dem Wachstum entlang der ()-Richtung von Pentacen-Einkristallen, das für viele polykristalline Isolatoroberflächen beobachtet wurde. Im Gegensatz zu den in der Literatur beschriebenen Strukturen, in denen die laterale Struktur entweder nicht bekannt war, oder aber die einzelnen Kristallite aufgrund des polykristallinen und isotropen Substrats keine feste Winkelbeziehung zueinander aufwiesen, konnte hier das epitaktische Wachstum in nur einer Rotationsdomäne nachgewiesen werden. Tab. 7. fasst die Strukturparameter der verschiedenen Phasen zusammen. Monolage 5 Monolagen > 5 Monolagen a [Å] b [Å] γ [ ] α [ ] 8 7 Tabelle 7.: Übersicht über die auftretenden Phasen während des Wachstums von Pentacen auf Cu(). a und b sind die Vektoren, die die laterale Einheitszelle unter dem Winkel γ aufspannen. α bezeichnet den Winkel, den die Molekülebene zur Oberfläche einnimmt. Trotz der sehr guten Ordnung in mikroskopischen Dimensionen zeigen die Pentacenfilme auf Cu() ein hohes Maß an Rauhigkeit. Allerdings ist diese Rauhigkeit für andere Substrate sowie andere aromatische Kohlenwasserstoffe auch nicht geringer, meist eher höher, was auf eine intrinsische Eigenschaft des Wachstums dieser Molekülklasse schließen lässt. 7.. Elektronische Kopplung der Filme mit dem Substrat Es wurde die elektronische Ankopplung von Pentacenfilmen an verschiedene Oberflächen mittels UPS untersucht. Während die Valenzstruktur dicker Pentacenfilme auf verschieden orientierten Kupfer-, Silber- und Goldoberflächen der des ungestörten Moleküls entspricht, konnte auf einer Cäsiumoberfläche die Interkalation von Cäsiumatomen in den Pentacenfilm anhand des Auftretens eines neuen elektronischen Zustands oberhalb des ursprünglichen Pentacen- HOMO nachgewiesen werden. Dieser neue Zustand resultiert aus der Auffüllung des ehemaligen Pentacen-LUMO durch Elektronen aus den Cäsiumatomen. Im Hinblick auf die Eignung als Elektrodenmaterial in OFET-Strukturen zeichneten sich Gold mit einer Injektionsbarriere für Löcher von.5 ev sowie Cäsium mit einer Injektionsbarriere für Elektronen von. ev aus. Für die relative Lage der energetischen Niveaus von Metallsubstrat und organischem Film zeigte sich neben der Austrittsarbeit des Metalls und der Ionisierungsenergie des Films der Grenzflächendipol als von besonderer Bedeutung. Durch das Auftreten dieses Dipols ist die Annahme einer gemeinsamen Vakuumenergie für solche Heterostrukturen nicht zulässig. 6

3 Für die Ursache des Grenzflächendipols konnte mittels TDS widerlegt werden, dass die Bindungsstärke zwischen Molekül und Oberfläche der alleinige Grund ist. Vielmehr zeigen jüngste Rechnungen, dass für Acene auf Kupfer und Gold der Ladungstransfer durch Bindung und Rückbindung sowie der rein physikalische Effekt der Pauli-Repulsion je nach Substrat annähernd den gleichen Anteil an der Dipolbildung haben. Wachstum auf Metallen Da die auf Cu() gewachsenen Pentacenfilme trotz einer sehr gut ausgeprägten Mikrostruktur mesoskopisch eine vergleichsweise hohe Rauhigkeit aufweisen, soll versucht werden, durch Variation der Wachstumsparameter wie Depositionstemperatur und Aufdampfrate glattere Filme zu präparieren [79]. Elektronische Kopplung der Filme mit dem Substrat Neben den bisher untersuchten Substraten werden weitere Oberflächen herangezogen, um zu prüfen, ob noch niedrigere Injektionsbarrieren von Ladungsträgern in den organischen Film als die bisher ermittelten erreichbar sind. Zusätzlich werden weitere Rechnungen bezüglich des Grenzflächendipols diese Messungen unterstützen. Wachstum auf Isolatoren Nach der detaillierten Analyse des Wachstums von Pentacen auf Cu() als Vertreter einer Metalloberfläche soll zukünftig auch auf Isolatorsubstraten sowohl die Mikrostruktur als auch die mesoskopische Morphologie der Filme in Abhängigkeit der Schichtdicke ermittelt werden. Trotz der zahlreichen bisherigen Studien bezüglich des Wachstums von Pentacen auf Isolatoren sind diese zumeist auf mesoskopische Analysen der Rauhigkeit mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) bzw. des vertikalen Netzebenenabstands mittels Röntgenbeugung (XRD) beschränkt. Erste eigene Experimente sind in Abb. 7. und Abb. 7. dargestellt. Abb. 7. a) - e) zeigt die NEXAFS-Spektren der unter verschiedenen Bedingungen auf polykristallinen oxidierten Silizium-Wafern präparierten ca. 5 nm dicken Pentacenfilme. Weder vorheriges Tempern der Wafer zur Entfernung oberflächlich gebundenen Wassers, verschiedene Präparationstemperaturen, vorheriges Sputtern des Wafers noch eine Exposition des Films für 8h an Luft führt zu signifikanten Änderungen in den NEXAFS- Spektren. Der Winkel der Molekülebene zur Oberfläche variiert für alle Spektren nur innerhalb der Fehlergrenzen von ±5 um einen Wert von 78, der dem entspricht, was für den dicken Film auf Cu() ermittelt wurde. Obwohl sich die NEXAFS-Spektren nur marginal voneinander unterscheiden, lässt sich interessanterweise mit dem bloßen Auge ein Unterschied zwischen dem Film auf dem vor der Präparation gesputterten 7

4 norm. Intensität [Einh. des Kantensprungs] 5 6 SiO unbehandelt, K SiO K, 5 K 8 9 a) b) c) d) 8 Photonenenergie [ev] SiO K, K SiO 9 kev gesputtert, K SiO 9 kev gesputtert, K, 8h an Luft e) 9 f) g) Abbildung 7.: NEXAFS-Spektren und Fotos von ca. 5 nm Pentacen auf polykristallinen oxidierten Silizium-Wafern unter verschiedenen Präparationsbedingungen. a) Der Film wurde auf dem unbehandelten Wafer bei K aufgewachsen. b) Der Wafer wurde h bei K getempert. Die Präparation des Films erfolgte bei K. c) Der Wafer wurde h bei K getempert. Die Präparation des Films erfolgte bei 5 K. d) Der Wafer wurde 9 min mit Ar + - Ionen bei einer Energie von kev gesputtert. Die Präparation des Films erfolgte bei K. e) Der Film aus d) wurde für 8 h Luftsauerstoff ausgesetzt. f) zeigt ein Foto der Präparation aus a), g) das der Präparation aus e). 8

5 Wafer und allen anderen Präparationen erkennen. Abb. 7. f) zeigt ein Foto des Pentacenfilms auf dem unbehandelten Wafer, während g) das der Präparation zu e) zeigt. Man erkennt, dass der Film auf dem gesputterten Wafer makroskopisch homogen und glatt erscheint. Auf dem unbehandelten Wafer dagegen wirkt der Pentacenfilm fleckig. Weitere Untersuchungen mit AFM und XPS werden hierzu folgen. Abbildung 7.: AFM-Bilder von Pentacenfilmen auf a) Glas und b) Al O () mit einem Scanbereich von jeweils 5 µm 5 µm. c) µm µm Zoom von b). Die weiße Linie markiert den Linescan in d). d) Linescan senkrecht zu monomolekularen Stufen des Pentacenfilms mit einer Stufenhöhe von ca. 5 Å. e) XRD-Messung der Probe aus b) [8]. Es ist die Koexistenz zweier Phasen mit Netzebenenabständen von. Å und 5.5 Å zu erkennen. Abb. 7. zeigt den Vergleich der mesoskopischen Morphologie mittels AFM [8] von Pentacen auf a) einer amorphen Glasoberfläche (SiO ) und b) der einkristallinen Saphir Al O ()-Oberfläche. In a) erkennt man dendritische Kristallite mit einer Größe von ca. µm. Form und Größe entsprechen denen für polykristallines SiO [8]. In b) sind die Kristallite fast vollständig zusammengewachsen und besitzen eine Größe von ca. µm. Von dem Film auf der Saphiroberfläche gelang aus dem Zoom in c) die Bestimmung der molekularen Stufenhöhe von ca. 5 Å (Linescan in d)). Die XRD-Untersuchung dieser Probe [8] bestätigt die AFM-Messung und zeigt die Koexistenz zweier Phasen mit 9