Malm, Norwin von (2003)
Ladungsträgerfallen in amorphen organischen Halbleitern.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In dieser Arbeit wurde die energetische Verteilung der Ladungsträgerfallen sowie andere elektrische und optische Eigenschaften von amorphen organischen Halbleitern untersucht. Besonderes Augenmerk lag dabei auf der Veränderung dieser Eigenschaften durch das Hinzufügen einer molekularen chemischen Verunreinigung (Dotierung) im Falle der aus kleinen Molekülen bestehenden Halbleiter und durch das Hinzufügen einer zweiten Monomereinheit im Falle der polymeren Halbleiter. Die Auswertung der gemessenen Fallenverteilungen in Dotierexperimenten mit den Loch-transportmaterialien a-NPD, 1-NaphDATA und MTDATA führte zu der Erkenntnis, daß bei der Frage, ob eine chemische Verunreinigung in einem Matrixmaterial eine Ladungsträgerfalle verursacht, nicht der genaue chemische Aufbau oder die räumliche Struktur des Fremdmoleküls eine Rolle spielt, sondern lediglich die Lage seiner Grenzorbitale relativ zu denen des Matrixmaterials. Es stellt also nicht jede chemische Verunreinigung automatisch auch eine Ladungsträgerfalle dar, sondern nur diejenige, deren Grenzorbital zwischen HOMO und LUMO des Matrixmaterials liegt. Die durch geeignete Dotierung verursachten tiefen Lochfallen zeigten deutliche Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften von Ein- und Zweischichtbauelementen. Der Ladungstransport in der dotierten Lochtransportschicht wird durch die Fallen auch bei Raumtemperatur stark behindert, da die Ladungsträgerbeweglichkeit um eine bis zwei Größenordnungen abnimmt. Dadurch wird auch die Leuchtdichte von Zweischichtbauelementen mit dotierter Lochtransportschicht geringer, die Effizienz dieses Bauteils bleibt jedoch unverändert. Auch die optischen Eigenschaften von Lochtransportschichten werden durch die Dotierung beeinflußt: die resultierenden Fallen wirken hier als Rekombinationszentren und verschieben die Wellenlänge der Elektrolumineszenz. Die Messung der Betriebslebensdauer von Zweischichtbauelementen mit dotierter und undotierter Lochtransportschicht ergab hin-gegen keine Abhängigkeit von der Verteilung der Ladungsträgerfallen. Der Mechanismus der Ermüdung dieser OLEDs scheint also mit der Anwesenheit von Fremdmolekülen verbunden zu sein, nicht mit der Tiefe enthaltener Ladungsträgerfallen. Im zweiten Teil der Arbeit wurden polymere organische Halbleiter im Hinblick auf ihre elektronischen Eigenschaften untersucht. Insbesondere wurde anhand eines Kopolymers der Einfluß einer statistisch in den Makromolekülen verteilten zweiten Monomereinheit auf die Fallenverteilung und den elektrischen Transport aufgezeigt. Sowohl das Homopolymer P1 als auch das Kopolymer P2 zeigten eine sehr breite energetische Verteilung von Ladungsträgerfallen. Bei P2 handelt es sich dabei ausschließlich um Lochfallen, das Homopolymer weist hingegen Loch- und Elektronenfallen auf. In diesem Polymer konnte auch die Existenz von Strompfaden belegt werden. Diese sorgen dafür, daß bei kleinen Strömen der Ladungstransport durch das Bauelement von nur wenigen Molekülen entlang der Pfade getragen wird. Die Ausbildung solcher Strompfade kann durch das Hinzufügen der zweiten Monomereinheit unterbunden werden, denn im Kopolymer P2 konnten keine Hinweise auf Strompfade gefunden werden. Die Unterschiede in den elektronischen Eigenschaften der beiden Polymere konnten auf eine geringere Linearität der Ketten, eine geringere intermolekulare Ordnung und damit einer veränderten Morphologie innerhalb des statistischen Kopolymers zurückgeführt werden. Die Untersuchung der thermisch stimulierten Depolarisation (TSD) ergab eine starke Polari-sierbarkeit der betrachteten Polymere. Diese ist der Ausrichtung der Polymerketten und ihrer Seitengruppen gemäß ihres Dipolmoments im elektrischen Feld zuzuschreiben. Insbesondere scheint die in allen untersuchten Polymeren enthaltene Dimethyloctyloxy-Seitengruppe dabei eine wichtige Rolle zu spielen. Diese These sollte durch die Untersuchung von PPV-Derivaten ohne Dimethyloctyloxy-Seitengruppe in zukünftigen Arbeiten weiter verfolgt werden.

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