In-situ Produktion und Charakterisierung von organischen Transistoren

Elektronische Bauelemente basierend auf organischen Materialen werden als besonders relevant für zukünftige Technologien angesehen. Vorteile dieser sogenannten "Plastikelektronik" sind ihre Flexibilität, die billige, großflächige Herstellung und ihr geringes Gewicht. Man kann sich damit sogar die Entwicklung einer "grünen", schadstofffreien Elektronik vorstellen. Um die Marktreife vieler dieser Produkte zu erzielen sind allerdings noch eine Reihe von Problemen zu bewältigen. Einige der Herausforderungen sind die Reproduzierbarkeit, die elektrische und chemische Stabilität und die Elektronenbeweglichkeit in den Bauelementen. Diese Themen sollen im vorgeschlagenen Projekt behandelt werden, um die Produktion, Charakterisierung und Optimierung von neuartigen organischen Bauelementen zu ermöglichen. Zur Erreichung dieses Zieles wird die Kollaboration von zwei Instituten vorgeschlagen, dem Institut für Festkörperphysik der TU Graz und dem Institut für Oberflächentechnologie und Photonik der Joanneum Forschungsgesellschaft in Weiz. In beiden Instituten besteht eine langjährige Expertise im Bereich der Fabrikation und Charakterisierung von organischen Schichten und organischen Halbleiterbauelementen. Im vorgeschlagenen Projekt sollen neuartige organische Dünnschichttransistoren (OTFT) hergestellt und untersucht werden. Die Neuartigkeit dieses Projektes ist die einzigartige Kombination von in-situ oberflächenanalytischen Methoden zur Schichtcharakterisierung mit in-situ Untersuchungen der elektrischen Eigenschaften von OTFTs. Es ist bekannt, dass die Morphologie, Struktur und chemische Zusammensetzung der ersten Lagen bereits die Funktionalität eines organischen Transistors wesentlich bestimmt. Die organischen Schichten, wie auch teilweise die Elektroden werden durch Aufdampfen im Vakuum, bzw. Ultrahochvakuum hergestellt und mit einer Vielzahl von oberflächenanalytischen Methoden charakterisiert. Insbesondere sollen vielversprechende neuartige Materialien, sowohl für die aktive Halbleiterschicht (z.B. PTCDI, Rubren, Phthalocyanin) wie auch für die dielektrische Schicht (z.B. PVP, PVCi, BCB, PaMS) auf ihre Funktionalität untersucht werden. Der Schwerpunkt der Arbeit wird in der Optimierung des Ladungsträgertransports als Funktion der Schichtdicken, Morphologie und Struktur der Halbleiter und Elektroden in Top und Bottom Kontaktgeometrie sein. Auch wenn das Hauptaugenmerk in diesem Projekt auf organischen Dünnschichttransistoren liegt, werden die Erkenntnisse auch für die Produktion anderer organischer Bauelemente Bedeutung haben, wie z.B. für organische Solarzellen, Leuchtdioden und Sensoren. Anwendungsgebiete dieser Bauelemente werden die Energie- und Unterhaltungsindustrie, aber auch Bereiche wie Medizin, Umwelttechnologie und Nahrungsmittelindustrie sein.

In unserer modernen Zeit habe wir es allerorten mit elektronischen Geräten zu tun, die unser tägliches Leben ganz wesentlich beeinflussen. In Zukunft wird die Elektronik in all ihren Anwendungen sicherlich immer stärkeren Einfluss auf das gesellschaftliche Leben ausüben. Man denke nur an das Internet der Dinge, in dem der Computer durch intelligente Gegenstände ersetzt wird, z.B. Elektronik in der Kleidung, in den Körper implantierte Elektronik, Sensoren und Aktoren in allen möglichen Bereichen. Das bedeutet, dass die Elektronik der Zukunft zunehmend auf organischen Materialien basieren wird, die womöglich sogar biologisch abbaubar sein werden. Im gegenständliche Projekt haben wir uns mit der Herstellung und Charakterisierung von organischen Modelltransistoren beschäftigt, um die komplexen Zusammenhänge zwischen den ultradünnen organischen Schichten und den daraus folgenden elektrischen Eigenschaften der Modelltransistoren besser zu verstehen. Ein Großteil der experimentellen Arbeiten wurde dabei in situ unter Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt. Dadurch war es möglich, die Leistungsfähigkeit der organischen Transistoren zu untersuchen, im Besonderen in Bezug auf Reproduzierbarkeit und die Zusammenhänge zwischen Schichtmorphologie und den elektrischen Eigenschaften. Zusätzlich zu der elektrischen Charakterisierung wurde sowohl in situ Auger Elektronenspektroskopie und thermische Desorptionsspektroskopie, als auch ex situ Rasterkraftmikroskopie eingesetzt um die chemische Zusammensetzung, thermische Stabilität und Morphologie der dielektrischen Substrate und organischen Schichten zu bestimmen. Der Einsatz eines spezifisch dafür konstruierten Probenhalters ermöglichte das Heizen und Kühlen der Proben, sowie Untersuchungen der Transistoreigenschaften als Funktion der Schichtdicke, der Temperatur und von Oberflächenmodifikationen. Pentacen und Epindolidione Transistoren mit den Dielektrika SiO2, PVCi und PNDPE wurden hergestellt und charakterisiert. Die dabei gewonnenen Haupterkenntnisse waren, dass die Transistoreigenschaften, repräsentiert durch die Ladungsträgermobilität und Einsatzspannung, vorwiegend durch ein Zusammenspiel der Korngröße und dichte im Halbleiter, der Struktur in den Körnern und der Überlappung der Halbleiterschicht mit den Goldkontakten bestimmt werden. Filmabscheidung bei erhöhter Substrattemperatur steigerte die mittlere Korngröße und Ordnung im Film, wodurch sich einerseits die Mobilität erhöhte aber andererseits auch Entnetzungseffekte begünstigt wurden, welche die erreichbaren Leistungsparameter negativ beeinflussten. Ein spezielles Abscheidungsprotokoll bei verschiedenen Abscheidungstemperaturen konnte die Vorteile beider Bereiche kombinieren und führte zu exzellenten Mobilitäten bei verhältnismäßig geringen Pentacen Schichtdicken.