Μελέτη της ηλεκτρονικής δομής διεπιφανειών οργανικών υμενίων με ανόργανα υποστρώματα, με τη χρήση επιφανειακά ευαίσθητων τεχνικών

Abstract

The development of organic-based devices, like transistors and light emitting diodes (FETs, OLEDs), is progressing rapidly over the past few years. A great deal of the physics and chemistry that govern the performance of such devices occur at the interfaces between the organic components and the inorganic electrodes, making the study of the interfacial electronic properties essential. In this work, the electronic structure of the interface formed between a conjugated oligomer (Ooct-OPV5) and inorganic substrates, ιn particular indium-tin oxide (ITO), polycrystalline Au, the Si(111) surface (Si n- and p-doped), and ultrathin (1-5 nm) SiO2 films on Si(111), was studied by X-ray and Ultraviolet photoelectron spectroscopies (XPS, UPS). Ooct-OPV5 is a model for poly(p-phenylenevinylene) (PPV), a polymer that has already been used in OLEDs. ITO is the common anode used in OLEDs because of its transparency and high electrical conductivity. Gold was chosen due to its inert nature and because it is used as a source/drain in FETs. Finally, the study of organic/silicon structures is of great importance for the incorporation of organics in Si-based microelectronic systems. All XPS and UPS measurements were carried out in an ultrahigh vacuum (UHV) apparatus. All substrates were cleaned in-situ by Ar+ sputtering and annealing. High purity oligomer films of up to ~10 nm thickness were produced in-situ by stepwise deposition on the clean substrates. The evolution of the oligomer and substrate-related XPS peaks was followed during Ooct-OPV5 deposition on all substrates. Analysis of these spectra clarified the interfacial chemistry and band bending in the semiconducting materials. UPS spectroscopy is used for the determination of the valence band at the interface and the interfacial dipoles. The interfacial energy band diagrams were deduced in all cases from the combination of experimental results. Based on our experimental data we reached the following conclusions: Dipoles are formed at the interfaces of the oligomer with ITO, Au, Si (p-doped) and SiO2(1-1.8 nm)/Si(111), while the Ooct-OPV5/ Si (n-doped) interface is dipole free. These interface dipoles (eD) are related to the existence of interfacial states and serve for the charge transfer between the materials in contact at the initial stages of the interface formation. In the case of the Ooct-OPV5/ Si (p-doped) interface, eD is related to the interaction of the oligomer molecules with Si surface states. At the Ooct-OPV5/Au and Si interfaces, the charge transfer is completed with a band bending of ~0.20 eV in the oligomer film. The hole injection barriers (eΦbh) or valence band offsets (ΔEV) were also determined in all interfaces. This barrier was measured ~1.05 eV at the Ooct-OPV5/ Au interface, and thus Au is inappropriate electrode for hole injection. ITO is also proved a poor hole-injecting electrode (eΦbh=1.45 eV), and thus its surface should be modified by treatments when used as an anode in OLEDs. On the other hand, the valence band offset between the Si substrate and the oligomer is measured ~0.4 eV. Modification of the Si(111) surface with ultra-thin SiO2 layers increases ΔEV by ~0.2 eV.

Η κατασκευή συσκευών μικροηλεκτρονικής με οργανικούς ημιαγωγούς όπως τρανζίστορς και φωτοεκπομποί δίοδοι οργανικών (FETs, OLEDs), αναπτύσσεται ταχύτατα τα τελευταία χρόνια. Οι φυσικές και χημικές αλληλεπιδράσεις που συμβαίνουν στις διεπιφάνειες των οργανικών με τα ηλεκτρόδια παίζουν καθοριστικό ρόλο στη λειτουργία τέτοιων συσκευών και επομένως η μελέτη της διεπιφανειακής ηλεκτρονικής δομής είναι σημαντική για την κατανόηση της λειτουργίας αυτών των διατάξεων. Στην παρούσα εργασία η ηλεκτρονική δομή των διεπιφανειών ενός συζυγιακού ολιγομερούς (Ooct-OPV5) με ανόργανα υποστρώματα, συγκεκριμένα το οξείδιο Ινδίου-Κασσιτέρου (ITO), τον πολυκρυσταλλικό Au, την επιφάνεια Si(111) (Si με προσμίξεις τύπου -Ν και -P) και υπέρλεπτα υμένια SiO2(1-5 nm) / Si(111), μελετήθηκε με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων από ακτίνες -Χ και υπεριώδες (XPS, UPS). Το Ooct-OPV5 χρησιμοποιείται ως πρότυπο για το poly(p-phenylenevinylene) (PPV), ένα πολυμερές που έχει ήδη χρησιμοποιηθεί σε συσκευές OLEDs. Το ITO χρησιμοποιείται ως άνοδος στα OLEDs επειδή είναι διαφανές και έχει υψηλή ηλεκτρική αγωγιμότητα. Ο χρυσός είναι αδρανές υπόστρωμα που χρησιμοποιείται ως ηλεκτρόδιο στα FETs. Τέλος, η μελέτη διεπιφανειών του οργανικού με το Si παρουσιάζει ενδιαφέρον, προκειμένου να ενσωματωθούν οι οργανικοί ημιαγωγοί σε μικροηλεκτρονικές συσκευές με βάση το Si. Η μελέτη έγινε σε σύστημα υπερυψηλού κενού (UHV) με τις τεχνικές XPS και UPS. Τα υποστρώματα καθαρίζονταν in-situ με ιοντοβολή με Ar+ και θέρμανση. Ακολούθως γινόταν σταδιακή απόθεση του ολιγομερούς και παρασκευάζονταν υπέρλεπτα υμένια (πάχους ~10 nm) πάνω στα καθαρά υποστρώματα. Σε κάθε στάδιο της απόθεσης λαμβάνονταν τα φάσματα XPS του οργανικού και των υποστρωμάτων. Από την ανάλυση των φασμάτων αυτών προσδιορίζονται οι διεπιφανειακές αλληλεπιδράσεις και η μεταβολή της κάμψης των ζωνών των ημιαγώγιμων υλικών. Με τη φασματοσκοπία UPS μελετάται η ζώνη σθένους της διεπιφάνειας και μετράται η διεπιφανειακή διπολική στοιβάδα. Από το συνδυασμό των πειραματικών αποτελεσμάτων μπορούν να κατασκευάζονται σχηματικά διαγράμματα των ζωνών στις διεπιφάνειες. Με βάση τα πειραματικά αποτελέσματα καταλήγουμε στα εξής συμπεράσματα: Στις διεπιφάνειες του ολιγομερούς με το ITO, τον Au, το Si (τύπου -p) και το SiO2(1-1.8 nm)/Si(111) υπάρχει διεπιφανειακή διπολική στοιβάδα (eD) ενώ στη διεπιφάνεια Ooct-OPV5/ Si (τύπου -n) όχι. Αυτά τα διεπιφανειακά δίπολα σχετίζονται με την ύπαρξη διεπιφανειακών καταστάσεων και εξυπηρετούν τη μεταφορά φορτίου μεταξύ των υλικών που έρχονται σε επαφή στα πρώτα στάδια του σχηματισμού των διεπιφανειών. Κατά το σχηματισμό της διεπιφάνειας Ooct-OPV5/ Si (τύπου - p), το eD σχετίζεται με την αλληλεπίδραση των μορίων του ολιγομερούς με τις επιφανειακές καταστάσεις του Si. Στις διεπιφάνειες Ooct-OPV5/ με Au και Si, η μεταφορά φορτίου ολοκληρώνεται με τη μεταβολή της κάμψης των ζωνών του οργανικού υμενίου κατά ~0.20 eV. Τα φράγματα έγχυσης οπών (eΦbh) ή τα valence band offsets (ΔEV) καθορίστηκαν επίσης σε όλες τις περιπτώσεις. Στη διεπιφάνεια Ooct-OPV5 / Au το eΦbh μετρήθηκε ~1.05 eV και επομένως ο Au είναι ακατάλληλο ηλεκτρόδιο για την έγχυση οπών. Το ITO αποδεικνύεται επίσης ακατάλληλο (eΦbh=1.45 eV) και η επιφάνειά του θα πρέπει να υφίσταται κατεργασία προκειμένου να χρησιμοποιείται ως άνοδος σε συσκευές OLEDs. Στην περίπτωση του Si, το valence band offset μεταξύ αυτού και του ολιγομερούς βρέθηκε ~0.4 eV. Η παραπέρα τροποποίηση της επιφάνειας του Si(111) με υπέρλεπτα υμένια SiO2 αυξάνει το ΔEV κατά ~0.2 eV.