New Methods for the Investigation of Organic Thin-Film Devices

Neue Methoden zur Untersuchung organischer Dünnschichtbauelemente

We have developed new techniques for the investigation of organic thin-film devices and have focussed on properties on the molecular scale as well as on macroscopic properties of organic devices. Scanning probe techniques were used to obtain spatially resolved information on morphology and electro-optical properties. Structural changes in composite-based devices were found to have an important influence on device performance. Furthermore, two modes of electroluminescence detection have been deveWe have developed new techniques for the investigation of organic thin-film devices and have focussed on properties on the molecular scale as well as on macroscopic properties of organic devices. Scanning probe techniques were used to obtain spatially resolved information on morphology and electro-optical properties. Structural changes in composite-based devices were found to have an important influence on device performance. Furthermore, two modes of electroluminescence detection have been developed. Local luminescence detection in the optical near-field by a scanning near-field optical microscope allowed us to monitor the light emission around a dark spot with a resolution better than 134 nm and to observe the electrode ablation. Finally, we have established a new scanning probe technique, named SELM, "Scanning Electroluminescence Microscopy". The simultaneous detection of a PtIr-tip-induced electroluminescence and shear force allows us to distinguish between topography and conductivity. This technique has revealed a strong spatial variation in the electro-optical properties of Alq3 films on ITO substrates. The existing combinatorial preparation method has been supplemented by a variable testing setup that permits the simultaneous investigation of 64 devices under nearly identical conditions. Both OLEDs and photovoltaic cells have successfully been tested over more than 300 hours of continuous operation so that it was possible to study the influence of material combinations and layer thicknesses on the performance and on the degradation of the devices. Variable-angle spectroscopic ellipsometry has been used for the optical characterisation of materials and an automation has been provided for the analysis of combinatorially prepared device arrays. Furthermore, a Mathematica program has been developed for the theoretical description of the short-circuit current in photovoltaic cells. By this means it was possible to explain in detail the observed performance enhancement in heterojunction solar cells, induced by an additional TiO2 layer. The optical and electronic contribution could only be identified by the variation of both layer thickness and device type. The strength of the setup presented is its ability to produce and to test devices under nearly identical conditions and to yield reliable data, which in turn can be used to test physical models. Finally, we have addressed the degradation process of OLEDs. The experiments have shown that inert gas plays an essential role in protecting against degradation, not only by the exclusion of reactive species but also by its heat-transport capabilities. These investigations are only just beginning and further combinatorial studies paired with AFM measurements are currently being developed.show moreshow less
Im Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Techniken zur Untersuchung von organischen Dünnfilmbauelementen entwickelt und weiterentwickelt. Der Fokus lag dabei einerseits auf lokalen Sondentechniken zur Untersuchung von Eigenschaften auf molekularer Skala, andererseits auf makroskopischen Eigenschaften von Bauelementen. Mit Rastersondentechniken haben wir die Morphologie und die elektrooptischen Eigenschaften auf Submikrometerskala detektieren können. Strukturveränderungen in Kompositfilmen konIm Rahmen dieser Arbeit wurden verschiedene Techniken zur Untersuchung von organischen Dünnfilmbauelementen entwickelt und weiterentwickelt. Der Fokus lag dabei einerseits auf lokalen Sondentechniken zur Untersuchung von Eigenschaften auf molekularer Skala, andererseits auf makroskopischen Eigenschaften von Bauelementen. Mit Rastersondentechniken haben wir die Morphologie und die elektrooptischen Eigenschaften auf Submikrometerskala detektieren können. Strukturveränderungen in Kompositfilmen konnten beobachtet und mit der Effizienz von Bauelementen verknüpft werden. Ferner haben wir zwei Modi zur Elektrolumineszenzdetektion im Nahfeld entwickelt. Die lokale Detektion der Elektrolumineszenz hat es uns ermöglicht einen "dark spot"-Defekt mit einer Auflösung unterhalb von 134 nm während seiner Entstehung zu beobachten. Schließlich haben wir eine neue Methode entwickelt, die wir SELM, "Scanning Electroluminescence Microscopy", getauft haben. Durch die simultane Detektion von Scherkraft und lokal induzierter Elektrolumineszenz konnten wir zwischen der Topographie und lokaler Leitfähigkeit unterscheiden, was bei klassischen STM-Techniken nicht möglich ist. Mithilfe dieser neuen Methode haben wir gezeigt, dass die elekrooptischen Eigenschaften von Alq3-Filmen auf ITO Substraten stark variieren. Im zweiten Teil der Arbeit wurde die am Lehrstuhl vorhandene kombinatorische Präparationsmethode durch ein sehr variables Testsystem erweitert, das die simultane Analyse von 64 Bauelementen auf einem Substrat erlaubt. Sowohl organische Leuchtdioden als auch organische Solarzellen wurden erfolgreich über eine Zeit von über 300 Stunden betrieben, so dass Material- und Schichtdickenabhängigkeit der Degradation studiert werden konnten. Mit winkelabhängiger spektroskopischer Ellipsometrie haben wir den komplexen Brechungsindex der verwendeten organischen Materialien bestimmt und das Ellipsometer automatisiert für die kombinatorische Schichtdickenanalyse der aufgedampften Bauelemente. Ferner wurde ein Mathematica-Programm entwickelt, das den Kurzschlussstrom in Solarzellen modelliert. Damit war es möglich, optische und elektrische Anteile im Kurzschlussstrom zu unterscheiden. Die Stärke des vorgestellten Aufbaus liegt darin, einheitlich hergestellte Bauelemente einem einheitlichen Testverfahren zu unterziehen, so dass parasitäre Einflüsse minimiert werden. Auf diese Weise haben wir zuverlässige Daten erhalten, die später mit physikalischen Modellen verglichen werden konnten. Zuletzt haben wir die Degradation von Leuchtdioden genauer untersucht. Unsere Experimente haben gezeigt, dass die Anwesenheit von Schutzgas nicht nur chemisch vor Degradation schützt sondern auch physikalisch durch Wärmetransport. Die Degradationsmechanismen in Vakuum und in Schutzgas unterscheiden sich deutlich und sind zum Teil reversibel. Derzeit sind weitere Messungen in Kombination mit AFM-Untersuchungen in Planung.show moreshow less

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Metadaten
Institutes:Chemie
Author: Helmut Hänsel
Advisor:Prof. Dr. Georg Krausch
Granting Institution:Universität Bayreuth,Fakultät für Biologie, Chemie und Geowissenschaften
Date of final exam:03.06.2004
Year of Completion:2004
SWD-Keyword:Elektrooptisches Bauelement; Farbstoffsolarzelle; OLED; Optoelektronisches Bauelement; Solarzelle
Tag:Kombinatorische Optimierung; Rastersondenmikroskopie
SNOM; combinatorial chemistry; organic light-emitting diode; organic solar cell; scanning electroluminescence microscopy
Dewey Decimal Classification:540 Chemie und zugeordnete Wissenschaften
URN:urn:nbn:de:bvb:703-opus-1470
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Date of Publication (online):09.06.2005