Morphological and structural study of ultrathin lithium fluoride films on organic molecule surfaces

Abstract

A way of influencing power conversion efficiency of organic devices is the improvement of the contact and therefore the charge injection or extraction mechanisms by additional interlayers. Especially metal-fluoride ionic compounds seem to be good candidates for interfacial layers, even if the exact reason for the beneficial impact is still unknown. These empirical studies by testing in a trial and error process marked lithium fluoride as a promising and already widely used material for improving device performance. Interestingly this is only valid for very low film thicknesses, typically in the range of less than one nanometer. LiF is a widely studied high band gap insulator and has some unique features. Structure, morphology and composition of LiF bulk material as well as in thin LiF films mostly on inorganic substrates are described in various publications but deviant results due to deposition techniques, post annealing processes and choice of substrates have been obtained. In contrast, there is no exact knowledge about the morphology and structure of ultra thin LiF films grown on organic surfaces. Only speculations of the film growth have been proposed in the literature. Examinations on the positive impact of LiF interlayers in organic devices are mostly performed by indirect methods like spectroscopy techniques or analysis of the electrical IV-characteristics causing a speculative character of the suggested working mechanisms. To overcome this bottleneck, LiF films are grown on smooth amorphous substrates and organic molecules with layer-by-layer type growth modes, well known crystal structure, tunable surface morphology and atomically flat surfaces. This procedure allows decoupling the organic and inorganic morphological and structural features. Observation methods with nano resolution like atomic force microscopy (AFM), transmission electron microscopy (TEM) and x-ray diffraction (XRD) techniques allow the characterization of growth, dispersion and structure of ultrathin LiF films on these model systems. It may lead to a better understanding of the physical properties that are attributed to material incorporation at the contact area in organic devices. This work describes the structure and morphology of ultrathin LiF films on organic model surfaces. LiF particles with crystalline features are directly observed for the first time on top of organic surfaces. Incomplete LiF coverage in the low thickness regime and quantification of particle dimensions lead to the assumption that the sticking behavior of already formed particles is responsible for the ultrathin film morphology. In addition, grain boundaries and defect sites are indentified as preferred particle adsorption sites. The particles are able to prevent thermally activated diffusion of organic molecules. An epitaxial relation between the LiF structure and the organic structure underneath has not been detected. LiF inserted into electrical devices shows only a beneficial effect on the performance when the coverage is very low. It is assumed that LiF particle adsorption on disordered regions in the organic films contributes to improved charge extraction at the contact areas when it is implemented in organic solar cells.

Eine Möglichkeit für die Verbesserung organischer Solarzelleneigenschaften ist die Beeinflussung der Halbleiter-Metall-Kontaktflächen. Dies kann durch Einbringen geeigneter Zwischenschichten in den Materialverbund geschehen. Mit deren Hilfe sollen Injektions- und Extraktionsmechansimen der photogenerierten Ladungsträger am Kontakt verbessert werden. Speziell ionische Alkali-Fluorid-Verbunde scheinen geeignete Kandidaten für Grenzflächenlagen zu sein, obwohl die genauen Gründe für ihre positiven Einflüsse bis jetzt nicht aufgeklärt worden sind. Empirischen Studien mit Tests durch Versuch und Irrtum bescheinigen speziell Lithiumfluorid (LiF) ein vielversprechendes Potential, und führen bereits zu dessen häufiger Verwendung als Zwischenlagenmaterial. Interessanterweise wirkt sich LiF nur in sehr geringen Schichtdicken positiv aus, die typischerweise in Bereichen von weniger als einem Nanometer liegen. LiF ist ein weithin untersuchter Isolator mit großer Bandlücke und hat einige einzigartige Eigenschaften. Struktur, Gestalt und Zusammensetzung im Feststoffverbund aber auch in dünnen, auf anorganischen Substraten gewachsenen Schichten, sind vielfältig in der Literatur beschrieben. Dabei sind abweichende Ergebnisse je nach Ablagerungsmethode, nach anschließender Hitzebehandlung oder nach Wahl des Substrats erhalten worden. In dieser Arbeit werden im Wesentlichen experimentelle Ergebnisse über die Gestalt, Struktur sowie über die Stabilität von sehr dünnen LiF-Filmen auf organischen Oberflächen vorgestellt. Da die Eigenschaften dieser Filme in realen Systemen experimentell schwer zugänglich sind, wird auf organische Modellsysteme mit Einzellagenwachstum, bekannter Kristallstruktur, beeinflußbarer Oberflächengestalt und atomar flachen Oberflächen zurückgegriffen. Diese Systeme erlauben zum ersten Mal eine direkte Untersuchung der morphologischen und strukturellen Eigenschaften des abgelagerten anorganischen Materials. Dabei werden hochpräzisen Meßmethoden wie Rasterkraftmikroskopie (AFM), Transmissionselektronen-mikroskopie (TEM) und Röntgenstreuung (XRD) eingesetzt. Es wird untersucht, ob eine strukturelle Wechselwirkung zwischen anorganischem und organischem Material stattfindet. Außerdem wird die Stabilität eines bestimmten Doppellagensystems beschrieben. Schlußendlich wird der Einfluß von LiF-Zwischenlagen auf die elektrischen Leistungseigenschaften in Solarzellen untersucht. Diese Solarzellen basieren auf denen, in dieser Studie verwendeten organischen Modellmolekülsystemen.