2-dimensionaler Ladungsträgertransport in Graphen und einkristallinen organischen Halbleitern

Abstract

Ziel dieser Arbeit war die Präparation und Untersuchung neuartiger 2-dimensionaler Systeme. Zu diesem Zweck wurden sowohl auf Einkristallen der organischen Halbleiter Tetracen und Perylen als auch auf Graphen-Mono- und Doppellagen Feldeffekttransistoren präpariert und untersucht. Wird die Oxidation der Tetracen-Kristalle erfolgreich verhindert, so kann bei Raumtemperatur in Lochleitung ein deutlicher Feldeffekt gemessen werden, Elektronenleitung jedoch konnten wir bei keiner Temperatur beobachten. SCLC-Messungen haben eine Trapkonzentration von minimal 5*10E14 pro cm³ gezeigt. Bei Raumtemperatur wiesen unsere Tetracen-FETs Lochbeweglichkeiten von bis zu 0,6 cm²/Vs auf, welche beim Abkühlen jedoch kontinuierlich schlechter wurden, Lochtransport konnte bis hinunter zu 21 K beobachtet werden. SCLC-Messungen an Perylen-Kristallen haben eine Reinheit von minimal 1,8*10E12 Traps pro cm³ für Elektronen und 2*10E13 Traps pro cm3 für Löcher ergeben. Dennoch konnte bei allen untersuchten Temperaturen nur Lochleitung beobachtet werden, was vermutlich auf mangelnde Elektroneninjektion zurückzuführen ist. Bei Raumtemperatur waren Lochbeweglichkeiten von bis zu 3*10E-3 cm²/Vs messbar. Auch in Perylen-FETs nahm der Strom beim Abkühlen stetig ab, so dass unter 120 K keine Transportmessungen mehr möglich waren. Sowohl die präparierten Graphen-Mono- als auch Doppellagen zeigten deutlich den QHE und SdH-Oszillationen. In Graphen-Monolagen ist die Energie der Ladungsträger proportional zu ihrem Impuls, was im QHE zu Plateaus bei den Füllfaktoren 2, 6, 10, ... führt, wodurch Graphen-Monolagen zweifelsfrei nachgewiesen werden können. Die Ladungsträgerbeweglichkeit erreichte in unseren Proben bis zu 6000 cm²/Vs, wobei kein nennenswerter Unterschied zwischen Elektronen & Löchern festgestellt werden konnte. Mit Hilfe eines Raster-SET-Mikroskops konnten wir in Zusammenarbeit mit der Gruppe von A. Yacoby zeigen, dass der Dirac-Punkt an unterschiedlichen Stellen der Monolage bei unterschiedlichen Gate-Spannungen erreicht wird, am Punkt des maximalen elektrischen Widerstands bilden sich demnach unregelmäßig geformte Bereiche mit Elektronen- bzw. Lochüberschuss.

The intention of this work was to prepare and investigate new kinds of 2-dimensional systems. Therefore, we studied field effect transistors prepared on both single crystals of the organic semiconductors tetracene and perylene as well as graphene mono- and double-layers. When the oxidization of tetracene crystals is successfully avoided, silver electrodes give good ohmic contacts for holes and at room temperature a distinct field effect for hole conduction can be observed (electron conduction could not be seen in tetracene at any temperature). SCLC-measurements proofed their low trap density of down to 5*10E14 per cm³. At room temperature hole mobilities of up to 0.6 cm²/Vs could be observed but degenerated slowly during cool down. Therefore, transport measurements were only possible down to minimal 21 K. SCLC-measurements on perylene crystals showed their purity of 1.8*10E12 traps per cm³ for electrons and 2*10E13 traps per cm³ for holes. Never the less, as in tetracene, only hole conduction could be achieved at all measured temperatures, presumably caused by insufficient electron injection. At room temperature hole mobilities of up to 3*10E-3 cm²/Vs could be observed. But in perylene-FETs too, the current declined with falling temperature, and under approximately 120 K no further transport could be measured. Both the prepared graphene mono- and double-layers showed pronounced QHE and SdH oscillations. In graphene mono-layers, the charge carrier energy depends linearly on momentum, leading to QHE plateaus at filling factors 2, 6, 10, ..., what can be used to verify a mono-layer without doubt. Charge carrier mobilities in our graphene mono-layers reached up to 6000 cm²/Vs, and we couldn't see any appreciable difference between electrons and holes. Using a scanning SET microscope in cooperation with the group of A. Yacoby, we were able to show that at different locations on the flake the Dirac point is reached at different gate voltages. Therefore, at the point of maximum electrical resistance, randomly shaped electron- and hole-rich puddles form.