Molecular Order and Charge Transport in Self-Assembled Monolayers of Small-Molecules and Oligomers

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2018-09-11
Issue Year
2018
Authors
Gothe, Bastian
Editor
Abstract

This work examines the self-assembly of semiconducting components at the nanoscale. Self-assembled monolayers (SAMs) enable large-area, site-selective formation of highly-defined semiconductor layers at low processing temperatures, which makes them promising constituents of future flexible, low-cost electronics. As the monolayer properties are mostly given by the molecular structure itself, rather than by processing conditions, it is crucial to understand the impact of the molecular structure on the morphology and the electronic properties of the resulting layers. The links between film structure and film properties are the center of this work. Semiconducting monolayers of benzothieno[3,2-b][1]benzothiophene (BTBT) attached to alkylphosphonic acids, oligo(hexylthiophene) attached to phenylphosphonic acid and oligo(dioctylfluorene) attached to phenylphosphonic acid were employed as the active channel in self-assembled monolayer field-effect transistor (SAMFET) devices. The rod-like shape of BTBT alkylphosphonic acids makes for polycrystalline monolayers that show excellent hole transport in SAMFETs. The strong confinement of the BTBT π-systems however mean a high sensitivity of the charge transport to defects in the layer. Monolayers of oligothiophene and oligofluorene on the other hand exhibit disordered monolayers and hence many of such defects, as analysis via X-ray-reflectivity, X-ray photoelectron spectroscopy and optical spectroscopy reveal. Despite that, SAMFETs of the oligomer SAMs show hole transport across channels of up to 50 μm length. The long chromophore chains thereby provide effective pathways to bypass defects in the layer. As a first step towards the integration of SAMFETs in energy-efficient complementary logic circuitry, voltage inverters were fabricated based on ambipolar heterostructure SAMFETs. Hole conducting monolayers of BTBT alkyphosphonic acids with a C11 alkyl chain were successfully combined with films of diphenyl-perylenediimide into ambipolar transistor devices. The presented work highlights the role of π-system shape in semiconducting SAMs from the perspectives of charge transport, molecular structure and optical response and serves as a foundation for future material designs and implementations.

Abstract

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Selbstorganisation von halbleitenden Stoffen auf Nanoskala. Selbst-organisierende Monolagen (SAMs) ermöglichen die großflächige, ortsselektive Bildung definierter Halbleiterschichten bei niedrigen Verarbeitungstemperaturen. Diese Eigenschaften machen SAMs zu vielversprechenden Komponenten zukünftiger flexibler, kostengünstiger elektronischer Bauelemente. Da die Eigenschaften der Monolagen meist durch die Molekülstruktur selbst und nicht durch die Verarbeitungsbedingungen gegeben sind, ist es entscheidend, den Einfluss der Molekülstruktur auf die Morphologie und die elektronischen Eigenschaften der resultierenden Schichten zu verstehen. Im Mittelpunkt dieser Arbeit stehen die Zusammenhänge zwischen Filmstruktur und Filmeigenschaften. Halbleitende Monolagen von Benzothieno[3,2-b][1]benzothiophen (BTBT) an Alkylphosphonsäuren, Oligo(hexylthiophen) an Phenylphosphonsäure und Oligo(dioctylfluoren) an Phenylphosphonsäure wurden als aktiver Schaltkanal in sogenannten Selbst-Organisierten Monolagen Feldeffekttransistoren (SAMFETs) eingesetzt. Die stäbchenformigen BTBT-Alkylphosphonsäuren bilden polykristalline Monolagen, die einen ausgezeichneten Lochtransport in SAMFETs aufweisen. Die starke Eingrenzung der BTBT Chromophore bedeutet jedoch auch eine hohe Empfindlichkeit des Ladungstransports gegenüber Defekten in der Schicht. Oligothiophen und Oligofluoren Monolagen dagegen bilden ungeordnete Schichten und weisen somit viele solcher Defekte auf, wie Untersuchungen mittels Röntgenreflektometrie, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und optischer Spektroskopie ergaben. Trotzdem zeigen SAMFETs der oligomeren SAMs einen Lochtransport über Kanallängen von bis zu 50 μm. Die langen Chromophor-Ketten bieten dabei effektive Leiterpfade, um Defekte in der Schicht zu umgehen. In einem ersten Schritt zur Integration von SAMFETs in energieeffiziente komplementäre Logikschaltungen wurden Spannungsinvertierer auf Basis ambipolarer Heterostruktur-SAMFETs hergestellt. Lochleitende Monolagen bestehend aus BTBT-Alkyphosphonsäuren mit einer C11-Alkylkette wurden erfolgreich mit Filmen des elektronenleitenden organischen Halbleiters Diphenylperylendiimid zu ambipolaren Transistoren kombiniert. Die vorgestellte Arbeit unterstreicht die Bedeutung der Form des π-Systems in halbleitenden SAMs hinsichtlich Ladungstransport, molekularer Struktur und optischen Eigenschaften und schafft Grundlagen für zukünftige Materialdesigns und Implementierungen in Bauelementen.

DOI
Faculties & Collections
Zugehörige ORCIDs