Tetracen - Kristallzucht und elektronischer Transport

Abstract

In dieser Arbeit werden die elektronischen Materialeigenschaften des organischen Halbleiters Tetracen untersucht. Für die Untersuchungen wurden Tetracen-Einkristalle durch zwei unterschiedliche Techniken hergestellt. Plattenförmige Kristalle mit Flächen bis 1 cm^2 wurden unter konstantem Wasserstoffstrom in einem Rohrofen gezogen. Um Kristalle mit größeren Ausdehnungen in allen drei Raumrichtungen zu erhalten, wurde erstmals die Gasphasen-Bridgman-Methode erfolgreich auf Tetracen angewandt. Die Beweglichkeit der Löcher in der c'-Richtung wurde mit der Flugzeitmethode als Funktion der Temperatur gemessen. Die Beweglichkeit folgt dem Hoesterey-Letson-Modell und hatte ein Maximum von 0.98 cm^2/Vs bei 320 K. Der Temperaturverlauf deutete an, dass die intrinsische Löcher-Beweglichkeit in c'-Richtung eine T^(-n)-Abhängigkeit hat, dem Bändermodell des Transports entsprechend. In der ab-Ebene wurde die Löcher-Beweglichkeit in Abhängigkeit von der Temperatur durch die Feldeffekt-Transistor-Technik gemessen. Hierfür wurde das Polymer PPX als Gate-Isolator mit einer Durchbruchfeldstärke von 3 MV/cm eingesetzt. Mit 0.79 cm^2/Vs bei 320 K wurde eine maximale Löcher-Beweglichkeit in Tetracen erzielt, die doppelt so hoch ist wie die bisher publizierte. Um das beobachtete Temperaturverhalten der Beweglichkeit zu erklären, wurden die Kristalle strukturell und chemisch charakterisiert. Durch Anwendung von Ätztechniken wurden Versetzungen sichtbar gemacht, die allerdings keinen signifikanten Einfluss auf den Ladungsträgertransport haben. Um die Art und die Konzentration der chemischen Verunreinigungen zu bestimmen, wurde die kombinierte Gaschromatographie-Massenspektrometrie eingesetzt. Die gefundene Gesamtkonzentration an chemischen Verunreinigungen stimmt mit der aus dem Temperaturverlauf der Beweglichkeit abgeschätzten Fallendichte überein. Die Hauptverunreinigung stellt ein Photoreaktionsprodukt des Tetracens, 5,12-Tetracenchinon, dar. In einer oberflächenselektiven Untersuchung wurde gezeigt, dass die Konzentration des Chinons an der Oberfläche der Einkristalle stark erhöht ist. Konsequenzen für den Einsatz von Polyacenen in der organischen Elektronik werden aufgezeigt.

This work focuses on the electronic properties of the organic semiconductor tetracene. For the transport studies tetracene single crystals were grown by two different techniques. Plate-like crystals with surface areas up to 1 cm^2 were grown in a stream of hydrogen in a horizontal tube furnace. In order to grow crystals with larger extensions in all three crystallographic directions, the vapor-phase Bridgman method was successfully applied to tetracene for the first time. The mobility of holes as a function of temperature in the c'-direction was measured using the time-of-flight method. Following a Hoesterey-Letson-behavior, the maximum mobility resulted in 0.98 cm^2/Vs at 320 K. From the temperature dependence it is concluded that the intrinsic mobility in the c'-direction follows a T^(-n) law consistent with the band model. In the ab-plane the hole mobility was measured as a function of temperature by the field-effect transistor technique. For this purpose the polymer PPX was used as gate insulator with a maximum electric breakdown field of 3 MV/cm. With 0.79 cm^2/Vs at 320 K a maximum mobility was obtained, which is twice as high as the field effect mobility for tetracene published so far. In order to explain the observed temperature dependence of the mobility, the crystals were characterized structurally and chemically. Dislocations were visualized by the use of etching techniques. However, these defects have no significant influence on the charge carrier transport. In order to determine the type and the concentration of chemical impurities, the combined gas chromatography-mass spectrometry was used. The total concentration of chemical impurities matches the trap density that was estimated from the temperature dependence of the mobility. The main contaminant present in the crystals is a photoreaction product of tetracene, 5,12-tetracenquinone. In a surface selective investigation it was shown that the concentration of the quinone is strongly increased at the surface of a single crystals. Consequences for the use of polyacenes in organic thin film transistors are discussed.