Universität Stuttgart
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Item Open Access Elektrische und optische Transportmessungen an einkristallinen organischen Feldeffekt-Transistoren(2007) Fischer, Matthias; Dressel, Martin (Prof. Dr.)In dieser Arbeit wird der Ladungstransport in organischen Halbleitern untersucht. Es gelang mit Infrarotspektroskopie quasi-freie Ladungsträger bei Raumtemperatur nachzuweisen und Werte für die effektive Masse sowie die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger zu bestimmen. Als Proben dienten plattenförmige Einkristalle aus Tetracen (2,3-Benzanthracen) und Rubren (5,6,11,12-Tetraphenylnaphthacen), die in einem Rohrofen im Wasserstoffstrom gezogen wurden. Auf den Kristallen wurden organische Feldeffekt-Transistoren (OFET) präpariert, mit Drain- und Source-Elektroden aus Leitsilber, dem Gate-Isolator aus Poly-para-Xylylen (PPX) und der Gate-Elektrode aus aufgedampften Gold oder Nickel-Chrom. Aus der Messung raumladungsbegrenzter Ströme (space charge limited currents, SCLC) in der (ab)-Ebene an der Oberfläche der Kristalle wurde in Tetracen ein diskretes Fallenniveau für Löcher mit einer Fallentiefe von etwa 340 meV und einer mittleren Flächen-Fallendichte von 4*10^10 cm^-2 nachgewiesen. Einkristalle aus Rubren zeigen ein Fallenniveau mit der Fallentiefe 380 meV und einer Flächen-Fallendichte um 2*10^9 cm^-2. Die untere Grenze für die Löcherbeweglichkeit bei Raumtemperatur in der (ab)-Ebene aus den Feldeffektmessungen in Zweipunktgeometrie liegt in Tetracen bei 0,8 cm^2/Vs und in Rubren bei 6 cm^2/Vs. Mit Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie wurden differentielle Transmissionsspektren durch Rubren-OFETs im Frequenzbereich von 100 cm^-1 bis 6000 cm^-1 aufgenommen. Diese Infrarot-Spektren der angesammelten Ladungsträger in einem Rubren-OFET zeigen neben einer Drude-Anregung, zwei breite Maxima (bei 2190 cm^-1 und 2940 cm^-1) sowie viele schmale Maxima von den eines um 475 cm^-1 in der Intensität heraussticht. Die breiten Maxima lassen sich dem Fallenniveau aus den SCLC-Messungen und einem von Mitrofanov et al. (PRL 97, p. 166601, 2006) beschriebenen Niveau zuordnen. Die schmalen Maxima können auf Vibrationsmoden in Molekülen zurückgeführt werden. Das Maximum um 475 cm^-1 wird möglicherweise durch eine Anregung aus dem polaronischen Zustand verursacht. Die frequenzabhängige Leitfähigkeit nach dem Drude-Modell kann mit einer Plasmafrequenz von 415 cm^-1 und eine Streurate von etwa 590 cm^-1 an das Spektrum angepasst werden. Aus der Plasmafrequenz und der Ladungsträgerdichte im OFET ergibt sich für die effektive Masse der Löcher ein Wert von etwa 1,9 Elektronenmassen. Die Streurate entspricht einer Lebensdauer des Transportzustandes von 9 fs. Lebensdauer und die Bandbreite von 341 meV (da Silva, Adv Mater 17, p. 1072, 2005) ergeben abgeschätzt eine mittlere freie Weglänge von über zwei Gitterkonstanten. Die spektroskopisch bestimmte Leitfähigkeit bei niedrigen Frequenzen stimmt mit der Leitfähigkeit aus DC-Messungen überein. Folglich beschreibt das Drude-Modell für quasi-freie Ladungsträger die Spektren sehr gut. Auf Basis der spektroskopischen Messungen werden Einwände gegen die Annahme von Bandtransport diskutiert und es wird gefolgert, dass Löcher in der (ab)-Ebene von Rubren-Einkristallen bei Raumtemperatur sich quasi-frei in Energiebändern bewegen (Bandtransport).