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Heterokontakte organischer Leuchtdioden: Schichtdickenabhängiges Strom-Spannungsverhalten

Kühn, Maybritt :
Heterokontakte organischer Leuchtdioden: Schichtdickenabhängiges Strom-Spannungsverhalten.
[Online-Edition: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6231]
Technische Universität , Darmstadt
[Dissertation], (2017)

Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6231

Kurzbeschreibung (Abstract)

Trotz ihrer heutigen Marktreifen und dem bisherigen breiten Erkenntnisstand in der organischen Elektronik zeigen moderne organische Leuchtdioden (OLEDs) so manches noch ungeklärtes Verhalten im Betrieb. Ein solches Phänomen, die sogenannten schichtdickenabhängige Einsatzspannungsverschiebung, ist Thema dieser Dissertation. Ausgangspunkt der Arbeit waren zwei OLEDs, die sich nur in ihrer Emissionsschicht unterscheiden. Für diese Emissionsschicht wurden zwei von der Merck KGaA synthetisierte Isomere verwendet. Kommt das Isomer TH-A zum Einsatz, zeigt sich eine drastische Verschiebung der Einsatzspannung im Fall einer Dickenvariation der Emissionsschicht. Im Fall des Isomers TH-B bleibt die Einsatzspannung dagegen bei Schichtdickenänderung unverändert. Ziel dieser Dissertation war es, die Ursachen dieser Einsatzspannungsverschiebung zu ermitteln. Nach einer Vereinfachung des Bauteilaufbaus hin zu Modell-OLEDs, zeigten Untersuchungen von aufgedampften TH-A bzw. TH-B Schichten mittels Photoelektronenspektroskopie wesentliche Unterschieden in den elektronischen Eigenschaften Ionisationspotential und Ferminiveauposition. Winkelabhängige Infrarotspektroskopiemessungen konnten jedoch keine unterschiedliche Orientierung der aufgewachsenen TH-A bzw. TH-B Moleküle bestätigen. Mit Hilfe einer komplexen Schichtdickenvariation und entsprechenden Strom-Spannungsmessungen wurde der Verlauf des elektrochemischen Potentials in den einzelnen Schichten der beiden Modellbauteile während des Betriebs bestimmt. Hierbei hat sich gezeigt, dass die schichtdickenabhängige Einsatzspannungsverschiebung im Fall von TH-A durch ein elektrisches Grenzflächenfeld hervorgerufen wird, welches schon im stromlosen Zustand existiert. Durch Grenzflächenexperimente mittels Photoelektronenspektroskopie konnte eine Bandverbiegung nach oben in TH-A als Ursache für das Grenzflächenfeld identifiziert werden. Zusätzlich konnte an der entsprechenden TH-A Grenzfläche eine große Injektionsbarriere gemessen werden.

Im Teil zwei der Arbeit wurde der Einfluss verschiedener energetischer Grenzflächenszenarien auf das Strom-Spannungsverhalten einfacher hole-only-Bauteile untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass die Bandverbiegung nach oben zwar eine notwendige Bedingung für das Auftreten der Einsatzspannungsverschiebung darstellt, zusätzlich aber noch eine Injektionsbarriere existieren muss, die maximal so groß wie die Injektionsbarriere sein darf.

Als Fazit der Arbeit lässt sich formulieren, dass nicht nur die energetische Position von HOMO und LUMO, sondern vor allem die Ferminiveauposition der einzelnen Materialien vor Kontakt die Bauteilperformance einer OLED wesentlich beeinflusst, weil diese die Ausprägung der Bandverbiegung steuern.

Typ des Eintrags: Dissertation
Erschienen: 2017
Autor(en): Kühn, Maybritt
Titel: Heterokontakte organischer Leuchtdioden: Schichtdickenabhängiges Strom-Spannungsverhalten
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Trotz ihrer heutigen Marktreifen und dem bisherigen breiten Erkenntnisstand in der organischen Elektronik zeigen moderne organische Leuchtdioden (OLEDs) so manches noch ungeklärtes Verhalten im Betrieb. Ein solches Phänomen, die sogenannten schichtdickenabhängige Einsatzspannungsverschiebung, ist Thema dieser Dissertation. Ausgangspunkt der Arbeit waren zwei OLEDs, die sich nur in ihrer Emissionsschicht unterscheiden. Für diese Emissionsschicht wurden zwei von der Merck KGaA synthetisierte Isomere verwendet. Kommt das Isomer TH-A zum Einsatz, zeigt sich eine drastische Verschiebung der Einsatzspannung im Fall einer Dickenvariation der Emissionsschicht. Im Fall des Isomers TH-B bleibt die Einsatzspannung dagegen bei Schichtdickenänderung unverändert. Ziel dieser Dissertation war es, die Ursachen dieser Einsatzspannungsverschiebung zu ermitteln. Nach einer Vereinfachung des Bauteilaufbaus hin zu Modell-OLEDs, zeigten Untersuchungen von aufgedampften TH-A bzw. TH-B Schichten mittels Photoelektronenspektroskopie wesentliche Unterschieden in den elektronischen Eigenschaften Ionisationspotential und Ferminiveauposition. Winkelabhängige Infrarotspektroskopiemessungen konnten jedoch keine unterschiedliche Orientierung der aufgewachsenen TH-A bzw. TH-B Moleküle bestätigen. Mit Hilfe einer komplexen Schichtdickenvariation und entsprechenden Strom-Spannungsmessungen wurde der Verlauf des elektrochemischen Potentials in den einzelnen Schichten der beiden Modellbauteile während des Betriebs bestimmt. Hierbei hat sich gezeigt, dass die schichtdickenabhängige Einsatzspannungsverschiebung im Fall von TH-A durch ein elektrisches Grenzflächenfeld hervorgerufen wird, welches schon im stromlosen Zustand existiert. Durch Grenzflächenexperimente mittels Photoelektronenspektroskopie konnte eine Bandverbiegung nach oben in TH-A als Ursache für das Grenzflächenfeld identifiziert werden. Zusätzlich konnte an der entsprechenden TH-A Grenzfläche eine große Injektionsbarriere gemessen werden.

Im Teil zwei der Arbeit wurde der Einfluss verschiedener energetischer Grenzflächenszenarien auf das Strom-Spannungsverhalten einfacher hole-only-Bauteile untersucht. Hierbei hat sich gezeigt, dass die Bandverbiegung nach oben zwar eine notwendige Bedingung für das Auftreten der Einsatzspannungsverschiebung darstellt, zusätzlich aber noch eine Injektionsbarriere existieren muss, die maximal so groß wie die Injektionsbarriere sein darf.

Als Fazit der Arbeit lässt sich formulieren, dass nicht nur die energetische Position von HOMO und LUMO, sondern vor allem die Ferminiveauposition der einzelnen Materialien vor Kontakt die Bauteilperformance einer OLED wesentlich beeinflusst, weil diese die Ausprägung der Bandverbiegung steuern.

Ort: Darmstadt
Fachbereich(e)/-gebiet(e): 11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft
11 Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaft > Fachgebiet Oberflächenforschung
Hinterlegungsdatum: 04 Jun 2017 19:55
Offizielle URL: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/6231
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-62311
Gutachter / Prüfer: Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram ; Ensinger, Prof. Dr. Wolfgang
Datum der Begutachtung bzw. der mündlichen Prüfung / Verteidigung / mdl. Prüfung: 28 April 2017
Alternatives oder übersetztes Abstract:
AbstractSprache
Besides its current marketability and the large knowledge in the field of organic electronics, modern Organic light emitting diodes (OLEDs) sometimes still show an unexpected behaviour during operation. Such a phenomenon, the so called thickness dependent onset voltage shift is topic of this thesis. Start point of the work were two OLEDs that only differ in the emission layer. Two isomers synthesized by the Merck KGaA were used in the emission layer. If the isomer TH-A is chosen, a dramatic onset voltage shift could be observed with increasing thickness of the emission layer. In case of the isomer TH-B the onset voltage did not change if a layer thickness variation is done. Aim of this dissertation was to determine the reason for the onset voltage shift. After a stack simplification from the original stack to a model OLED, photoelectron spectroscopy measurements revealed differences in the electronic properties Fermi level position and ionization potential. Angle dependent infrared spectroscopy measurements could not confirm a different orientation of the evaporated TH-A respectively TH-B molecules. With the help of a complex layer thickness variation and IV-measurements the in-operando potential distribution in the single layers of the devices could be determined. This investigation revealed that the thickness dependent onset voltage shift in case of TH-A is caused by an electric interface field, which already exists in the currentless case. With the help of photoelectron spectroscopy a band bending upwards in TH-A could be identified as origin of the interface field. At the respective TH-A interface additionally a large injection barrier could be measured. In the second part of this work the influence of different interface situations on the current-voltage behaviour of simple hole-only devices was investigated. It could be seen that the band bending upwards is not the only criterion for the thickness dependent onset voltage shift. Additionally an injection barrier that is smaller than or as large as the injection barrier has to exist. From the thesis finally the conclusion can be drawn that not only the relative HOMO- and LUMO-positions of the single materials, but especially the Fermi level positions of the materials before contact strongly determine the OLED device performance, because they trigger the formation of band bending.Englisch
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