Mechanisms of growth and structural properties of di-indenoperylene on metal, dielectric, and organic surfaces

Abstract

The aim of this dissertation was to study the organic-inorganic (organic semiconductors with metals or dielectric materials) and organic-organic (organic hetero-structures) interfaces in variable architecture design for organic electronic devices. For this purpose, we performed complementary techniques such as atomic force microscopy (AFM), scanning tunneling microscopy (STM), scanning electron microscopy (SEM), as well as in-situ and ex-situ X-ray diffraction (XRD). The planar molecules n-type F16CuPc, PTCDI-C8 combined with p-type H16CuPc, pentacene, DIP are chosen as model systems of organic semiconductors. Al2O3(11-20), Cu(100) single crystal and SiO2 are used as substrates for organic molecular epitaxy. The study of DIP grown on SiO2 is devoted to understand the growth process of organic semiconductors on dielectric materials. We disclose that DIP films grown on SiO2 undergo a morphological transition from layer-by-layer (LBL) growth to rapid roughening with increasing film thickness over a large temperature range. In the LBL growth regime, we studied carefully the 2D islands size distribution, shape and their lateral correlation to gain insight into self-affine, scaling and fractal properties of the 2D islands. The onset of the growth mode transition is layer and temperature dependent, from D~3 ML at RT, ~4 ML at 90 °C to ~5 ML at 120 °C. In the rapid roughening regime, increasing substrate temperature leads to a lower growth exponent value, namely, ~0.84 at RT, ~0.80 at 90 °C, and ~0.77 at 120 °C. For the structural aspect, in spite of amorphous character of the SiO2 surface, the first DIP layer is under a compressive strain of ~ 3-4 % along b lattice vector, ~ 0.8 % strain along a lattice vector initially. The spacing between different DIP thin film layers decreases rapidly from initial 18 Å to 16.73 Å. The transition in morphology is coincident with the transition in structure. We use thin DIP films grown on copper single crystal are a model system to study the growth of organic molecules on metal surfaces. The structure of the thin films is investigated by STM. The growth of the DIP submonolayer is observed in real time at room temperature, 240 K and 150 K. The results show clearly that different substrate temperature leads to different cluster mobility. In addition, the first monolayer of DIP is commensurate to the substrates forming chiral domains. The molecular substrate interaction leads to ordered 2D structure and further to the epitaxial growth of the monolayer. The 2D domains of the monolayer are metastable, annealing results in a better ordering of the molecules. Organic-organic hetero-structures bear great interest as building blocks for future organic electronics and optoelectronics, for instance, OLEDs or photovoltaic cells. Structure and morphology are of crucial importance for high-performance devices. We studied a few hetero-structures, DIP-H16CuPc, F16CuPc-H16CuPc and PTCDI-pentacene by means of in-situ XRD and AFM, therefore a throughout understanding of the correlation between the structural ordering, growth mode and film thickness, which is essential for producing controllable architectures. In the end, we extend our study to the growth of nano- or micro- sized organic structures for advanced organic electronics. One dimensional organic F16CuPc nanowires and nanotubes were grown via OMBE by performing Au nanoparticles patterned SiO2 substrates. The large microsize organic DIP single crystals were synthesized by functionalizing the SiO2 surfaces with self assembled monolayers.

Das Ziel dieser Dissertation war die Untersuchung der Eigenschaften von organisch-anorganischen (z.B. organischen Halbleitern mit Metallen oder dielektrischem SiO2) und organisch-organischen (z.B. organische Halbleitern mit organischen Halbleitern) Grenzflächen in verschiedenem Architektur design für organisch elektronische Geräte. Zu diesem Zweck haben wir ergänzende Techniken benutzt; dazu gehören Rasterkraftmikroskopie (AFM), Rastertunnelmikroskopie (STM), Rasterelektronenmikroskopie (SEM), so-wie in-situ und ex-situ Röntgenstreuung (XRD). Die planaren Moleküle n-Type F16CuPc, PTCDI-C8 kombiniert mit p-Type H16CuPc, Pentacene, DIP werden als Modellsysteme für organische Halbleiter ausgewählt. Al2O3(11-20), Cu(100) Einkristalle und SiO2 werden als Substrate für die organische Molekularstrahlepitaxie verwendet. Um das Wachstum der organischen Halbleiter auf dielektrischen Materialien zu verstehen, werden DIP Dünnschichten auf SiO2 untersucht. Die morphologischen Übergange der DIP Dünnschichten von einem Lagen Wachstumsmodus zu einem schnellen Aufrauungsmodus werden über einen großen Temperaturbereich beobachtet. Im Regime des Lagenwachstung Bereich werden die Größeverteilung und Gestalt, so-wie laterale Korrelation der zweidimensionalen Inseln sorgfältig untersucht um ihre Selbstaffinität, ihre Skalierung und ihre fraktalen Eigenschaften aufzudecken. Der Anfang des Übergangs vom Lagewachstum zum 3D Insel-Wachstumsmodus ist temperatur- und lage-abhängig, bei RT ~ 3 ML, bei 90 °C ~ 4 ML und bei 120 °C ~ 5 ML. Im Regime der schnellen Aufrauung führt die Erhöhung der Substrattemperatur zu einer Verschiebung des Skalenexponenten zu niedrigeren Werten, nämlich von 0.84 bei RT ~ 0.80 bei 90 °C und ~ 0.77 bei 120 °C. Unter dem strukturellen Aspekt bildet die erste DIP Monolage eine dichtere Schicht, trotz des amorphen Charakters der SiO2 Oberfläche. Die erste DIP-Schicht wird unter Einfluss des Substrates entlang des Gitter-Vektors b auf 96%-97% komprimiert (bezogen auf die relaxierte Struktur von dünnen Filmen), während sie entlang des Gitter Vektors a auf nur 99.2% komprimiert wird. Der Abstand zwischen verschiedenen Monolagen von DIP-Filmen ändert sich rapide von ~ 18 Å auf 16.73 Å. Der Übergang in die Morphologie von Lagenwachstum zur schnellen Aufrauung ist gleichzeitig mit einer Strukturänderung verbunden. Dünne DIP Schichten auf Kupfereinkristallen stellen ein ideales Modellsystem für organische Moleküle auf metallischen Oberflächen dar. Die Struktur der Schichten wurde mittels STM untersucht. Das Wachstum der Submonolagen von DIP auf Cu(100) wurde bei Raumtemperatur, 240 K und 150 K in Echtzeit beobachtet. Messungen an Submonolagen von DIP zeigen eindeutig, dass die Clustermobilität ein Merkmal für verschiedene Substrattemperaturen ist. Zudem wächst die erste Monolage DIP kommensurabel auf dem Metallsubstrat in chiralen Domänen. Die Molekül-Substrat-Wechselwirkungen führen zu der beobachteten 2D-Anordnung und des weiteren zum einem epitaktischen Wachstum der Monolagen. Die 2D-Domänen der Monolagen sind metastabil, d.h. eine bessere Anordnung der Moleküle ist nach dem Ausheizen zu sehen. Organisch-organische Heteroschichten sind für zukünftige elektronische und opto-elektronische Bauteile von großem Interesse, z.B. für OLEDs oder für photovoltaische Zellen. Struktur und Morphologie von Heteroschichten haben große Bedeutung für die High-Performance solcher Geräte. Die Heterostrukturen, DIP-H16CuPc, F16CuPc-H16CuPc und PTCDI-Pentacene werden mittels in-situ XRD und AFM untersucht, um ein vollständiges Verständnis der Zusammenhänge zwischen der struktural Anordnung, Wachstumsmodus und Schichtdicke zu erlangen, die für die Herstellung der beherrschbaren Architekturen unerlässlich ist. Schließlich werden das Wachstum von Nanoß und Mikrometer großen organischen Strukturen untersucht. Einerseits werden eindimensionale organische F16CuPc Nanodrähte und Nanoröhren wurden mittels OMBE auf mit Au Nanopartikel bedeckten SiO2-Substraten aufgewachsen. Andererseits werden organische DIP-Einkristalle im Mikrometerbereich große auf SiO2 synthetisiert, deren Substrat zuvor mit Hilfe von SAMs funktionalisiert wurde.