Molekulare Dotierung Organischer Halbleiter
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- Gerrit Richter
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1 Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 4 W W 4 Cr Cr H 2 Eine Leitfähgkeits- und Seebeck-Studie Disputation,
2 Anwendungsbeispiele c Heliatek rganische Photovoltaik c ovaled LED Beleuchtung Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 2
3 Anwendungsbeispiele c Heliatek c ovaled LED Display c Samsung Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 2
4 Anwendungsbeispiele c Heliatek c ovaled c Samsung transparenter Kontakt Löcher-Transportschicht optisch aktive Schicht Elektronen-Transportschicht Metallkontakt Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 2
5 Anwendungsbeispiele c Heliatek c ovaled c Samsung transparenter Kontakt Löcher-Transportschicht optisch aktive Schicht Elektronen-Transportschicht Metallkontakt Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 2
6 Gliederung 1 Grundlagen 2 Ergebnisse 3 Interpretation Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 3
7 Gliederung Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau 1 Grundlagen rganische Halbleiter Materialien Seebeckeffekt Messaufbau 2 Ergebnisse 3 Interpretation Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 4
8 rganische Halbleiter Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Kohlenwasserstoffverbindungen Delok. π-elektronensystem Einzel-Molekül Me-TPD E Vakuum LUM HM Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 5
9 rganische Halbleiter Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Kohlenwasserstoffverbindungen Delok. π-elektronensystem schwache Wechselwirkung zw. Molekülen Verbreiterung der Energieniveaus Energielücke (E gap ) HL Eigenschaften möglich E Festkörper E gap Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 5
10 rganische Halbleiter Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Kohlenwasserstoffverbindungen Delok. π-elektronensystem schwache Wechselwirkung zw. Molekülen Verbreiterung der Energieniveaus Energielücke (E gap ) HL Eigenschaften möglich Ionisationsenergie (IE) & Elektronenaffinität (EA) messbar Festkörper E EA E gap IE Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 5
11 Dotierung org. HL Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Vakuum E LUM HM Wirt Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 6
12 Dotierung org. HL Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Vakuum LUM n-dotierung E HM Wirt n-dotand Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 6
13 Dotierung org. HL Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Vakuum n-dotierung E p-dotierung LUM HM Wirt n-dotand Wirt p-dotand Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 6
14 Gliederung Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau 1 Grundlagen rganische Halbleiter Materialien Seebeckeffekt Messaufbau 2 Ergebnisse 3 Interpretation Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 7
15 n-materialien Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 8
16 n-materialien Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau 1 Wirt C 60 (EA ~ 4.0eV*) *EA (IPES) von Zhao et al. JAP 105, (2009) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 8
17 n-materialien Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau 1 Wirt 2 Klassen von n-dotanden C 60 (EA ~ 4.0eV*) 4 4 hoch reaktiv luftreaktiv Cr Cr Cr 2 (hpp) 4 (IE = 3.95eV # ) W W W 2 (hpp) 4 (IE = 2.68eV # ) "Schaufelrad" Struktur Menke et al. APL 100, (2012) *EA (IPES) von Zhao et al. JAP 105, (2009) # IE (UPS) von S. lthof (IAPP) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 8
18 n-materialien Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau 1 Wirt 2 Klassen von n-dotanden H 2 luftstabile Vorstufen C 60 (EA ~ 4.0eV*) 4 AB 4 DMBI-PH (IE unbekannt) Menke et al. rgel 13, 3319 (2012) hoch reaktiv luftreaktiv Cr Cr Cr 2 (hpp) 4 (IE = 3.95eV # ) W W W 2 (hpp) 4 (IE = 2.68eV # ) "Schaufelrad" Struktur Menke et al. APL 100, (2012) *EA (IPES) von Zhao et al. JAP 105, (2009) # IE (UPS) von S. lthof (IAPP) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 8
19 p-materialien Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 9
20 p-materialien Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau 3 Wirte 3 Dotanden Pentacen (IE=5.0eV) F 4 -TCQ (EA ~ 5.25eV) F F F F Me-TPD (IE=5.1eV) F 6 -TCQ (EA ~ 5.00eV) F F F F F F F 36 C 60 F 36 (EA ~ 5.38eV) BF-DPB (IE=5.23eV) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 9
21 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Pentacen (IE=5.0eV) Me-TPD (IE=5.1eV) BF-DPB (IE=5.23eV) p-materialien 3 Wirte 3 Dotanden F 4 -TCQ (EA ~ 5.25eV) F 6 -TCQ (EA ~ 5.00eV) C 60 F 36 (EA ~ 5.38eV) icht Thema dieses Vortrags F F F F F F F F F F F Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 9
22 Gliederung Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau 1 Grundlagen rganische Halbleiter Materialien Seebeckeffekt Messaufbau 2 Ergebnisse 3 Interpretation Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 10
23 Seebeckeffekt Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Thomas Johann Seebeck, 1821: T 1 T m T 2 V th Temperaturgradient entlang Metall oder Halbleiter erzeugt elektrische Spannung Bild: Wikipedia Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 11
24 Seebeckeffekt in konv. HL Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Seebeck Koeffizient S = V th T 2 T 1 Vorzeichen Majoritätsladungsträger T 1 T m T 2 V th Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 12
25 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Seebeck Koeffizient S = Seebeckeffekt in konv. HL V th T 2 T 1 Vorzeichen Majoritätsladungsträger S Diff. Fermi (E F ) und Transport (E Tr ) iveau T 1 T m T 2 V th S E F E Tr et m intrinsisch n-dotiert p-dotiert E E C E F E S :=E F -E Tr S E S et m E V Fritzsche, SSC 9, 1813 (1971) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 12
26 Seebeckeffekt in org. HL Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Für organische Halbleiter mit gaußförmiger Zustandsdichte lässt sich ein E Tr definieren E Tr := + E σ (E) de + σ (E) de = 1 σ + E σ (E) de für das gilt S = E F E Tr et = E S et Schmechel, JAP 93, 4653 (2003) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 13
27 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Dichte freier Ladungsträger (n-dotiert) n e = Freie Ladungsträger f FD (E, E F, T ) D(E)dE Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 14
28 Freie Ladungsträger Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau 1 Dichte freier Ladungsträger (n-dotiert) n e = f FD (E, E F, T ) D(E)dE Konventionelle HL ½ f FD (E) n e = f FD D D(E) D(E) E E C ( n e exp E C E F k B T ) E S n e per Definition E C E F =: E S 0 E F E C Energie E E S n e Boltzmann äherung verwendet Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 14
29 Freie Ladungsträger Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau 1 Dichte freier Ladungsträger (n-dotiert) n e = f FD (E, E F, T ) D(E)dE rganische HL ½ f FD (E) n e = f FD D n e E S D(E) - exakte D unbekannt - Gauß-Verteilung üblich angenommen n e exp ( gleicher Trend ) E S + E Tr σ 2 G 2k B T k B T 0 E F E Tr σ G 0 Energie E E S n e Boltzmann äherung verwendet Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 14
30 Gliederung Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau 1 Grundlagen rganische Halbleiter Materialien Seebeckeffekt Messaufbau 2 Ergebnisse 3 Interpretation Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 15
31 Probenpräparation Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau Probenhalter Ratensensoren geheizte Tiegel Wirt Dotand Vakuumkammer: p Pa Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 16
32 Messmodi Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF rg. HL Materialien Seebeck Messaufbau 1. Leitfähigkeit σ V anlegen (1 V) I messen σ 2. Seebeck Koeff. S T anlegen (5 K) V th messen S Variation von Material T 1 T 2 SMU Vakuum geheizte Kupferblöcke Glassubstrat Temperatursensoren (PT1000) Grundkontakte 40nm Gold (l=20mm, d=5mm) rganische Schicht (30nm) Source Measure Unit Dotierkonzentration C (Temperatur T ) Chiffre 0815: Alleinstehende Vakuumkammer sucht Begleiter für einsame Stunden Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 17
33 Gliederung Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck 1 Grundlagen 2 Ergebnisse Leitfähigkeitsstudie Seebeckstudie 3 Interpretation luftstabile Vorstufen AB DMBI-PH H 2 luftreaktive Dotanden 4 Cr Cr Cr 2 (hpp) 4 4 W W W 2 (hpp) 4 C Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 18
34 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck luftstabile Dotanden Leitfähigkeit vs. Dotierung Leitfähigkeit σ (S/cm) C 60 : DMBI PH C 60 : AB Dotierkonzentration C (MR) direkt nach Präparation, T Mess = 25 C C σ DMBI-PH 100 höhere σ als AB C (MR) = # Dotand Mol. # Wirt Mol. C 60 undotiert: σ 10 8 Rekordwert: σ 10 S cm S cm Li et al. JAP 100, (2006) ; lthof et al. PRL 109, (2012) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 19
35 Leitfähigkeit σ (S/cm) Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck luftstabile Dotanden C 60 : DMBI PH C 60 : DMBI PH geheizt 10 5 C 60 : AB 10 6 C 60 : AB geheizt Dotierkonzentration C (MR) nach Ausheizen 1 h bei T = 100 C, T Mess = 25 C C (MR) = # Dotand Mol. # Wirt Mol. C 60 undotiert: σ 10 8 Rekordwert: σ 10 S cm Leitfähigkeit vs. Dotierung S cm Li et al. JAP 100, (2006) ; lthof et al. PRL 109, (2012) C σ Ausheizen: starke Verbesserung für AB Vermutlich Umformung der Vorstufe nicht abgeschlossen Maximum: 5.3 S C = Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 19
36 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck luftreaktive Dotanden Leitfähigkeit vs. Dotierung Leitfähigkeit σ (S/cm) C 60 : W 2 (hpp) 4 C 60 : Cr 2 (hpp) 4 C σ Abnahme bei hohen C Dotierkonzentration C (MR) direkt nach Präparation, T Mess = 25 C C (MR) = # Dotand Mol. # Wirt Mol. C 60 undotiert: σ 10 8 Rekordwert: σ 10 S cm S cm Li et al. JAP 100, (2006) ; lthof et al. PRL 109, (2012) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 19
37 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck luftreaktive Dotanden Leitfähigkeit vs. Dotierung Leitfähigkeit σ (S/cm) C 60 : W 2 (hpp) 4 C 60 : W 2 (hpp) 4 geheizt C 60 : Cr 2 (hpp) 4 C 60 : Cr 2 (hpp) 4 geheizt Dotierkonzentration C (MR) nach Ausheizen 1 h bei T = 70 C, T Mess = 30 C C σ Abnahme bei hohen C Ausheizen: Zunahme bei kl. C Abnahme bei gr. C Maximum: 4.3 S C = C (MR) = # Dotand Mol. # Wirt Mol. C 60 undotiert: σ 10 8 Rekordwert: σ 10 S cm S cm Li et al. JAP 100, (2006) ; lthof et al. PRL 109, (2012) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 19
38 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck alle 4 Dotanden 10 Leitfähigkeit vs. Dotierung Leitfähigkeit σ (S/cm) C 60 : Cr 2 (hpp) 4 C 60 : W 2 (hpp) 4 C 60 : DMBI PH C 60 : AB Dotierkonzentration C (MR) nach Ausheizen, T = 25 / 30 C Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 20
39 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck alle 4 Dotanden Leitfähigkeit vs. Dotierung Leitfähigkeit σ (S/cm) C 60 : Cr 2 (hpp) 4 C 60 : W 2 (hpp) 4 C 60 : DMBI PH C 60 : AB Dotierkonzentration C (MR) nach Ausheizen, T = 25 / 30 C σ(c) meist linear superlinear für DMBI-PH Dotiereffizienz oder Beweglichkeit Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 20
40 Gliederung Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck 1 Grundlagen 2 Ergebnisse Leitfähigkeitsstudie Seebeckstudie 3 Interpretation luftstabile Vorstufen AB DMBI-PH H 2 luftreaktive Dotanden 4 Cr Cr Cr 2 (hpp) 4 4 W W W 2 (hpp) 4 C Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 21
41 Seebeck vs. Dotierung Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck Seebeck Koef. S (µv/k) C 60 : AB Dotierkonzentration C (MR) T m = 40 C, nach Ausheizen Seebeck Energie E S (mev) S neg. e-leitung Fermi-iveau schiebt Transport-iveau Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 22
42 Seebeck vs. Dotierung Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck Seebeck Koef. S (µv/k) C 60 : AB C 60 : DMBI PH Dotierkonzentration C (MR) T m = 40 C, nach Ausheizen Seebeck Energie E S (mev) S neg. e-leitung Fermi-iveau schiebt Transport-iveau DMBI-PH: n e gr. als für AB Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 22
43 Seebeck vs. Dotierung Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck Seebeck Koef. S (µv/k) C 60 : AB C 60 : DMBI PH C 60 : W 2 (hpp) 4 C 60 : Cr 2 (hpp) Dotierkonzentration C (MR) T m = 40 C, nach Ausheizen Seebeck Energie E S (mev) S neg. e-leitung Fermi-iveau schiebt Transport-iveau DMBI-PH: n e gr. als für AB luftreaktive Dotanden: n e gr. als für luftstabile n e sinkt monoton Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 22
44 Gliederung Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck 1 Grundlagen luftstabile Vorstufen luftreaktive Dotanden 2 Ergebnisse AB 4 Cr Cr 3 Interpretation Leitfähigkeitsdaten Seebeckdaten H 2 DMBI-PH Cr 2 (hpp) 4 4 W W W 2 (hpp) 4 C Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 23
45 Ansatz Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck σ = e µ n e e : Elementarladung µ : Beweglichkeit n e : Ladungsträgerdichte η dot : Dotiereffizienz n D : Dotandendichte n Mol : Moleküldichte C : Dotierkonzentration (MR) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 24
46 Ansatz Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck σ = e µ n e n e = η dot n D e : Elementarladung µ : Beweglichkeit n e : Ladungsträgerdichte η dot : Dotiereffizienz n D : Dotandendichte n Mol : Moleküldichte C : Dotierkonzentration (MR) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 24
47 Ansatz Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck σ = e µ n e n e = η dot n D n e = η dot n Mol C 1 + C e : Elementarladung µ : Beweglichkeit n e : Ladungsträgerdichte η dot : Dotiereffizienz n D : Dotandendichte n Mol : Moleküldichte C : Dotierkonzentration (MR) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 24
48 Ansatz Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck σ = e µ n e n e = η dot n D C n e = η dot n Mol 1 + C C σ = e µ η dot n Mol 1 + C e : Elementarladung µ : Beweglichkeit n e : Ladungsträgerdichte η dot : Dotiereffizienz n D : Dotandendichte n Mol : Moleküldichte C : Dotierkonzentration (MR) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 24
49 Untergrenze Beweglichkeit Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck η dot,max = 100 % σ µ min = e 100 % n Mol C 1+C Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 25
50 Untergrenze Beweglichkeit Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck η dot,max = 100 % σ µ min = e 100 % n Mol C 1+C µ min cm2 V s Für C 0 muss aber µ µ(c 60 ) gelten µ min (cm²/vs) C 60 : Cr 2 (hpp) 4 C 60 : W 2 (hpp) 4 C 60 : DMBI PH C 60 : AB Dotierkonzentration C (MR) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 25
51 Untergrenze Dotiereffizienz Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck µ max (C 60 ) = 5 cm2 V s σ η dot,min = e µ max n Mol C 1+C FET by Itaka et al. AM 18, 1713 (2006) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 26
52 Untergrenze Dotiereffizienz Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck µ max (C 60 ) = 5 cm2 V s σ η dot,min = e µ max n Mol C 1+C Cr 2 (hpp) 4 : η dot > 20% DMBI-PH: η dot,min η dot,min 100% 10% 1% 0.1% Dotierkonzentration C (MR) C 60 : Cr 2 (hpp) 4 C 60 : W 2 (hpp) 4 C 60 : DMBI PH C 60 : AB FET by Itaka et al. AM 18, 1713 (2006) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 26
53 Untergrenze Dotiereffizienz Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck µ max (C 60 ) = 5 cm2 V s σ η dot,min = e µ max n Mol C 1+C Cr 2 (hpp) 4 : η dot > 20% DMBI-PH: η dot,min luftreaktive: η dot,min η dot,min 100% 10% 1% 0.1% Dotierkonzentration C (MR) C 60 : Cr 2 (hpp) 4 C 60 : W 2 (hpp) 4 C 60 : DMBI PH C 60 : AB FET by Itaka et al. AM 18, 1713 (2006) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 26
54 Untergrenze Dotiereffizienz Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck µ max (C 60 ) = 5 cm2 V s σ η dot,min = e µ max n Mol C 1+C Cr 2 (hpp) 4 : η dot > 20% DMBI-PH: η dot,min luftreaktive: η dot,min & n e,min im Widerspruch zu Seebeckdaten Beweglichkeit FET by Itaka et al. AM 18, 1713 (2006) η dot,min n e,min (cm 3 ) 100% 10% 1% 0.1% C 60 : Cr 2 (hpp) 4 C 60 : W 2 (hpp) 4 C 60 : DMBI PH C 60 : AB Dotierkonzentration C (MR) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 26
55 Gliederung Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck 1 Grundlagen luftstabile Vorstufen luftreaktive Dotanden 2 Ergebnisse AB 4 Cr Cr 3 Interpretation Leitfähigkeitsdaten Seebeckdaten H 2 DMBI-PH Cr 2 (hpp) 4 4 W W W 2 (hpp) 4 C Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 27
56 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck n e = Ansatz f FD (E, E F ) D(E)dE! = η dot n D (C) (1) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 28
57 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck n e = Ansatz f FD (E, E F ) D(E)dE! = η dot n D (C) (1) 1 Bestimmung von E F (η dot, C) durch iterative numerische Integration bis (1) erfüllt ist ½ f FD (E) n e = f FD D n e D(E) 0 E S E F E Tr σ G 0 Energie E f FD (E, E F ) = 1 1+exp ( E EF k B T Annahme: gaußförmige D(E) ( ) D(E) = n W(C) exp E2 2π σg 2σG 2 ) n e : Ladungsträgerdichte f FD : Fermi-Dirac Distribution D : Zustandsdichte η dot : Dotiereffizienz C : Dotierkonzentration (MR) n D : Dotandendichte n W : Wirtdichte σ G : Breite d. gaußf. D Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 28
58 Berechnung des Fermi-iveaus Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck Fermi iveau E F (mev) 500 phys. erlaubt 5σ G η dot =1% η dot =10% 4σ η G dot =100% 3σ G 2σ G 1σ G D(E) Dotierkonzentration C (MR) für σ G = 100 mev FET by Fishchuk et al., PRB 81, (2010): σg (C 60 ) = 88 mev Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 29
59 Berechnung des Fermi-iveaus Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck Fermi iveau E F (mev) 500 phys. erlaubt 5σ G η dot =1% η dot =10% 4σ η G dot =100% 3σ G 2σ G 1σ G D(E) Dotierkonzentration C (MR) für σ G = 100 mev E F E Tr 0 E S FET by Fishchuk et al., PRB 81, (2010): σg (C 60 ) = 88 mev Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 29
60 Abschätzung des Transport-iveaus Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck Einbeziehung der Seebeck Daten: E F + E S = E Tr C 60 : Cr 2 (hpp) 4 C 60 : W 2 (hpp) 4 Transport iveau E Tr (mev) phys. erlaubt η dop,min η dot = 1% η dot = 10% η dot = 30% η dot = 100% 100 C 60 : AB C 60 : DMBI PH Dotierkonzentration C (MR) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 30
61 Abschätzung des Transport-iveaus Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck Einbeziehung der Seebeck Daten: E F + E S = E Tr C 60 : Cr 2 (hpp) 4 C 60 : W 2 (hpp) 4 Transport iveau E Tr (mev) phys. erlaubt η dop,min η dot = 1% η dot = 10% η dot = 30% η dot = 100% 100 C 60 : AB C 60 : DMBI PH Dotierkonzentration C (MR) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 30
62 Annahme konst. Transport-iveau Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck Annahmen konstanter E Tr = 225 mev σ G = 100 mev n Mol = cm 3 ermöglichen Berechnung von Ladungsträgerdichte n e (S) Dotiereffizienz η dot (S) Beweglichkeit µ(s, σ) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 31
63 Annahme konst. Transport-iveau Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck Annahmen konstanter E Tr = 225 mev σ G = 100 mev n Mol = cm 3 ermöglichen Berechnung von Ladungsträgerdichte n e (S) Dotiereffizienz η dot (S) Beweglichkeit µ(s, σ) n e (cm 3 ) η dot µ (cm²/vs) C 60 :Cr 2 (hpp) 4 C 60 :W 2 (hpp) 4 C 60 :DMBI PH C 60 :AB 100% 10% 1% 0.1% Dotierkonzentration C (MR) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 31
64 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Leitfähigkeit Seebeck Zusammenfassung Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 32
65 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Zusammenfassung Leitfähigkeit Cr 2 (hpp) 4 u. W 2 (hpp) 4 hohe σ bei kl. C σ bei gr. C DMBI-PH superlinear σ(c) hohe σ bei gr. C AB starker Einfluss des Ausheizens Seebeck n-leitung auch bei gr. C monotone Abnahme n e Leitfähigkeit σ (S/cm) Seebeck Koef. S (µv/k) C 60 : Cr 2 (hpp) 4 C 60 : W 2 (hpp) 4 C 60 : DMBI PH C 60 : AB Dotierkonzentration C (MR) C : AB C 60 : DMBI PH C 60 : W 2 (hpp) 4 C 60 : Cr 2 (hpp) Dotierkonzentration C (MR) Seebeck Energie E S (mev) Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 33
66 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Beweglichkeit Cr 2 (hpp) 4 : µ > 1 cm2 V s Cr 2 (hpp) 4 u. W 2 (hpp) 4 : Abnahme bei gr. C Dotiereffizienz Cr 2 (hpp) 4 : η dot > 20% Modell konstanten Transportniveaus realistische Werte und Trends Zusammenfassung Fazit Cr 2 (hpp) 4 dotiert C 60 am besten DMBI-PH ist interessante Alternative da luftstabil Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 34
67 Grundlagen Ergebnisse Interpretation ZF Ich danke Molekulare Dotierung rganischer Halbleiter 35
68 + SL, ewdev, E&E, LED, Sport und ovaled AG, BMBF via PEG /
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