Growth and structure of DIP thin-films and Au contacts on DIP thin-films

Abstract

Subject of this thesis was the study of structure and growth of thin films of the organic semiconductor diindenoperylene (DIP) on thermally oxidized silicon-wafers. Furthermore, the system Au/DIP as a model-system for metal-organic contacts in applications of “organic electronics“ has been studied to investigate the interfacial morphology as well as the thermal stability of the DIP-film and of the Au/DIP interface for various deposition conditions of the Au film. DIP-films with thickness between 100 Å and 1100 Å have been deposited at a substrate temperature of ca. 150°C and at a rate of ca. 12 Å/min onto SiO2 substrates. Inspection of these films by X-ray scattering (specular and under grazing incidence), cross-sectional transmission electron microscopy (TEM) and non-contact atomic force microscopy (AFM) shows that the DIP-films are coherently ordered (crystalline) across their entire thickness normal to the surface and that they exhibit an extraordinary high crystalline order for organic thin-film systems with mosaicities of <= 0.014°. The lattice constant of 16.5 Å implies that the molecules are essentially standing upright on the substrate. The growth behavior of these films has been studied in the theoretical framework of self-affine surfaces employing specular and diffuse x-ray scattering and AFM-measurements, respectively, at DIP-films with thickness between 70 Å und 9000 Å. The measurements allowed for the independent determination of the following scaling-exponents: alpha = 0.68 ± 0.06, beta = 0.75 ± 0.05 und 1/z = 0.92 ± 0.20. In particular the large value of beta exceeding the limit of random deposition (beta <= 0.5) can only be explained with the model of “Rapid Roughening” which requires lateral inhomogeneous growth rates. These could be due to “tilt domains” which form as a consequence of the slight tilt of the molecules with respect to the surface normal. The metal-organic heterosystem Au/DIP has been studied by TEM, X-ray diffraction (specualar and diffuse), and by high-resolution Rutherford backscattering spectrometry (RBS). TEM shows that the preparation conditions of the Au film (evaporation rate and substrate temperature) strongly determine the interfacial morphology. In situ X-ray diffraction during annealing reveals that the organic layer is thermally stable up to about 150°C, a temperature sufficient for most electronic applications. At higher temperatures, lateral inhomogeneous desorption of the DIP-film sets on. Furthermore, the x-ray measurements show that the “as grown” Au layer exhibits a large mosaicity of around 10°. Upon annealing above 120°C the Au film starts to reorder and shows sharp (111)-diffraction features. In addition, temperature dependent RBS measurements indicate that the Au/DIP-interface is thermally essentially stable against diffusion of Au in the DIP layer up to ca. 100°C on the time-scale of hours.

In der vorliegenden Arbeit wurden Struktur, thermisches Verhalten und Wachstumsverhalten von dünnen Filmen des organischen Halbleiters Diindenoperylen (DIP) auf thermisch oxidierten Siliziumwafern untersucht. Außerdem wurden am System Au/DIP als Modellsystem für Metall-Organik-Kontakte in Anwendungen für „Organische Elektronik“ die Grenzflächenmorphologie, sowie die thermische Stabilität der DIP-Schicht und der Au/DIP-Grenzfläche für verschiedene Wachstumsbedingungen der Au-Schicht untersucht. DIP-Schichten mit Schichtdicken zwischen 100 Å und 1100 Å wurden bei einer Substrattemperatur von ca. 150°C mit einer Rate von ca. 12 Å/min auf SiO2-Oberflächen aufgewachsen. Ihre Untersuchung mit Röntgenstreuung (spekulär und unter streifendem Einfall), Querschnitts Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) zeigt, dass die Schichten senkrecht zur Oberfläche über die gesamte Schichtdicke kristallin aufwachsen und dabei eine für organische Dünnschichtsysteme außergewöhnlich hohe kristalline Ordnung mit Mosaizitäten <= 0.014° aufweisen. Die Gitterkonstante von 16.5 Å impliziert, dass die Moleküle in der Schicht dabei annähernd senkrecht auf dem Substrat stehen. Das Wachstumsverhalten wurde im Rahmen der Theorie selbstaffiner Oberflächen mit spekulärer und diffuser Röntgenstreuung, sowie mit AFM an Filmen mit Schichtdicken zwischen 70 Å und 9000 Å untersucht. Aus den voneinander unabhängigen Messungen ergeben sich folgende Skalenexponenten: alpha = 0.68 ± 0.06, beta = 0.75 ± 0.05 und 1/z = 0.92 ± 0.20. Insbesondere der hohe Wert für beta, der das Limit für ballistische Deposition (beta <= 0.5) übersteigt, lässt sich nur im Rahmen des Modells „Rapid Roughening“ erklären, das lateral inhomogene Wachstumsraten voraussetzt. Diese können durch „Tilt-Domänen“ verursacht werden, die durch die leichte Kippung der Moleküle gegen die Oberflächennormale entstehen. Das metall-organische Heterosystem Au/DIP wurde mit TEM, Röntgenstreuung (spekulär und diffus), sowie mit hochauflösender Rutherfordrückstreuung (RBS) untersucht. Querschnitts-TEM Aufnahmen zeigen, dass die Grenzflächenmorphologie stark von den Wachstumsbedingungen der Au-Schicht (Wachstumsrate und Substrattemperatur) abhängt. In situ Röntgenstreuung während des Temperns des Systems zeigt, dass die organische DIP-Schicht bis ca. 150°C thermisch stabil ist, was für die meisten technischen Anwendungen ausreichend ist. Bei höheren Temperaturen beginnt die DIP-Schicht lateral inhomogen zu desorbieren. Die Röntgenmessungen zeigen außerdem, dass die „as grown“ Au-Schicht eine große Mosaizität von ca. 10° aufweist. Nach Tempern bei 120°C (1 Stunde) beginnt ein Umordnungsprozess in der Au-Schicht und scharfe (111)-Röntgenreflexe werden sichtbar. Temperaturabhängige RBS-Messungen zeigen, dass die Au/DIP-Grenzfläche eine thermische Stabilität gegen Au-Diffusion in die DIP-Schicht bis ca. 100°C (auf der Zeitskala von 1 Stunde) aufweist.