Organic inorganic interfaces for applications in organic electronics

Abstract

The aim of this thesis was to study interfaces of the organic semiconductor diindenoperylene (DIP) with metals and insulators, and to study the potential of sputtered aluminum oxide layers as encapsulation material for organic devices. The preparation and structural characterization of aluminum oxide layers deposited on top of DIP films and the thermal stability of these heterostructures was in the focus of this work. The growth, structure and morphology of the aluminum oxide/DIP system was studied and compared to the aluminum oxide/SiOx system by means of X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM) and cross-sectional transmission electron microscopy (TEM). The data showed that aluminum oxide forms a laterally well-defined interface with the DIP film and only little diffusion into the organic film was observed. The aluminum oxide layers were completely amorphous and show a granular morphology on both substrates (SiOx and DIP). For the deposition of sputtered aluminum oxide films on silicon oxide and on DIP films a comparitive study of the roughness evolution with the film thickness was performed. For aluminum oxide films sputtered on silicon oxide a growth exponent of beta=0.37 was obtained. The aluminum oxide films deposited on thin DIP films exhibited a comparable growth exponent of beta=0.34. The similar growth exponents and the AFM images of the Al2O3/SiOx and Al2O3/DIP systems suggest that the growth and structure of aluminum oxide on these very different substrates exhibits similarities. The well-defined character of the aluminum oxide/DIP samples encouraged us to study the thermal stability of these systems. Surprisingly, the thermal stability of the DIP films could be strongly enhanced by more than 200°C (compared to the desorption temperature of uncapped DIP films). This strongly enhanced thermal stability is due to the aluminum oxide layer serving as an almost perfect 'lid' for the DIP. Nevertheless, the film structure breaks down at temperatures specific for each sample depending on the aluminum oxide capping layer thickness, its stoichiometry and the heating rate. We believe that the use of aluminum oxide layers as an encapsulation material has significant potential for the application in organic devices. Capping layers do not only prevent molecules from the organic layer to desorb at elevated temperatures but they also promise to prevent ambient gases from penetration into the organic semiconductor film. One might therefore also think about using organic semiconductor molecules which have desorption temperatures so far considered too low for practical application. Besides the practical use of a capping layer we point out that a capping layer allows to study material properties beyond the desorption temperature of the specific molecule and thus to study the behavior under conditions otherwise inaccessible.

Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der Grenzflächen des organischen Halbleiters Diindenoperylen (DIP) mit Metal- und Isolatorschichten und die Untersuchung von gesputterten Aluminiumoxidschichten als mögliches Material zur Einkapselung von organischen Bauelementen. Die Präparation und Charakterisierung gesputterter Aluminiumoxidschichten auf DIP Filmen und die Untersuchung der thermischen Stabilität dieser Heterostrukturen war dabei im Fokus dieser Arbeit. Mittels Röntgenstreuung (XRD), Rasterkraftmikroskopie (AFM) und Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) wurden die Struktur und Morphologie des Aluminiumoxid/DIP Systems auch im Vergleich zum System Aluminiumoxid/SiOx untersucht. Aus den Daten geht hervor, dass Aluminiumoxid eine lateral gut definierte Grenzfläche mit den DIP Filmen ausbildet und nur wenig Diffusion in den organischen Film beobachtet werden kann. Auf beiden Substraten (SiOx und DIP) zeigt Aluminiumoxid eine granulare Morphologie. Ein Vergleich der Rauhigkeitsentwicklung ergab vergleichbare Wachstumsexponenten von beta=0.37 für Aluminiumoxid/SiOx und beta=0.34 für Aluminiumoxid/DIP. Die Ähnlichkeit der Morphologie der verschiedenen Systeme, zusammen mit den vergleichbaren Werten des Wachstumsexponenten deutet darauf hin, dass das Wachstum und die Struktur auf diesen sehr unterschiedlichen Substraten erstaunlicherweise sehr ähnlich ist. Aufgrund der gut definierten Filmstruktur der Aluminiumoxid/DIP Proben führten wir Untersuchungen der thermischen Stabilität dieser Systeme durch. Am Beispiel von hochgeordneten Filmen des organischen Halbleiters Diindenoperylen haben wir gezeigt, dass sich deren thermische Stabilität durch Deckelschichten aus gesputtertem Aluminiumoxid stark erhöhen lässt. Durch die Einkapselung solcher organischer Schichten wird auf sehr effektive Weise die Desorption der Moleküle bei Temperaturen weit oberhalb des Desorptionspunktes ungedeckelter DIP Filme verhindert und gleichzeitig die kristalline Struktur erhalten. Teilweise bricht das Schichtsystem erst 300°C oberhalb der Desorptionstemperatur unabgedeckter DIP Schichten zusammen. Die genaue Zusammenbruchstemperatur hängt dabei von der Schichtdicke und Stöchiometrie der Aluminiumoxid Deckelschichten und von der Heizrate ab. Die Erhöhung der thermischen Stabilität organischer Schichten durch Deckelschichten beschränkt sich nicht nur auf das spezifische System Aluminiumoxid/DIP, sondern stellt ein grundlegendes Konzept zur Stabilisierung von organischen Schichten dar. Wir denken deshalb, dass sich Aluminiumoxidschichten als Material zur Einkapselung organischer Bauelemente eignen. Ausserdem eröffnen Deckelschichten die Möglichkeit, organische Halbleitermoleküle mit bisher für praktische Anwendungen zu niedrigen Desorptionstemperaturen zu verwenden. Neben dem praktischen Nutzen von Deckelschichten möchten wir auch darauf hinweisen, dass solche Deckelschichten die Untersuchung von Materialeigenschaften oberhalb der Desorptionstemperatur des verwendenten Moleküls erlauben und daher Untersuchungen unter ansonsten unzugängliche Bedingungen erlauben.