Παρασκευή και μελέτη οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων οργανικών ημιαγωγών κατάλληλων για φωτοηλεκτρικές εφαρμογές

Abstract

The aim of this PhD thesis was the study of the optoelectronic properties of polycrystalline organic semiconductor of pentacene and comparison with the respective properties of single crystals of a small-molecule organic semiconductor rubrene with the help of modulated photocurrent spectroscopy. Moreover, the aim of this PhD was to construct and study by means of the spatial modulated photocurrent spectroscopy organic thin film transistors of pentacene on SiO2 thermally grown on crystalline silicon. To characterize the samples, we used the modulated-photocurrent (MPC) spectroscopy with which we illuminated the samples with a monochromatic beam of light periodically modulated at a frequency ω. Moreover, we used a constant and continuous light beam (bias light) of amplitude 3 times more than that of the modulated light. With this technique we studied the interaction of majority carriers with holes, the distribution of traps and we extract important parameters like; the conduction mechanism, the concentration and the mobility of the mobile charge carriers, the density and the distribution of the trapping states, their capture coefficient and attempt of escape frequency and the quantum efficiency of photocarrier generation. It was found that the mobility of carriers in pentacene films strongly decreases with increasing the bias light intensity, due to potential barriers build up at the grain boundaries of microcrystallites from trapped carriers produced from the bias light. In contrast, in rubrene crystals without grain boundaries the mobility was found independent of the bias light.In the second part of the PhD, we constructed pentacene thin film field-effect transistors with the method of molecular beam from thermal evaporation. The transistors were studied with the help of spatial photoconductivity spectroscopy. The changes in the spatial distribution of charge carriers within the channel of the transistor were derived in various states of operation of the transistor and found that are correlated very well with the respective current voltage characteristics of the transistor.

Ο σκοπός της διατριβής ήταν η μελέτη των οπτοηλεκτρονικών ιδιοτήτων λεπτών υμενίων πολυκρυσταλλικού οργανικού ημιαγωγού πεντακενίου και σύγκρισή τους με αυτές μονοκρύσταλλου οργανικού ημιαγωγού ρουμπρενίου με τη φασματοσκοπία διαμορφωμένου φωτορεύματος. Επιπλέον σκοπός της διατριβής ήταν να κατασκευαστούν και να μελετηθούν με τη βοήθεια της χωρικής φασματοσκοπίας διαμορφωμένου φωτορεύματος οργανικά τρανζίστορ λεπτών υμενίων πεντακενίου επάνω σε οξείδιο του πυριτίου που αναπτύχθηκε θερμικά επάνω σε κρυσταλλικό πυρίτιο. Στο χαρακτηρισμό των δειγμάτων χρησιμοποιήθηκε η φασματοσκοπία του διαμορφωμένου φωτορεύματος (MPC) με την οποία φωτίζουμε το δείγμα με ημιτονοειδές διαμορφωμένο φωτισμό με κυκλική συχνότητα διαμόρφωσης ω. Επιπλέον χρησιμοποιήσαμε έναν συνεχή και σταθερό φωτισμό (bias light) έντασης τουλάχιστον τρεις φορές μεγαλύτερης από αυτή του διαμορφωμένου φωτισμού. Με αυτή την τεχνική μελετήθηκαν η αλληλεπίδραση των φορέων πλειονότητας με τις παγίδες και εξάχθηκαν συμπεράσματα για σημαντικές παραμέτρους για τα οργανικά υλικά όπως: του μηχανισμού αγωγιμότητας, της συγκέντρωσης των ευκίνητων φορέων αγωγιμότητας και της ευκινησίας των, της πυκνότητας και της κατανομής των ατελειών στο ενεργειακό χάσμα, ο συντελεστής παγίδευσης, η συχνότητα διαφυγής και η κβαντική απόδοση στη δημιουργία φωτοφορέων. Βρέθηκε ότι η ευκινησία των φορέων φιλμ πεντακενίου μειώνεται σημαντικά με της εφαρμογή επιπλέον σταθερού φωτισμού, λόγω εμφάνισης φραγμών δυναμικού στα όρια των μικροκρυστάλλων εξαιτίας παγίδευσης φορέων αγωγιμότητας. Αντίθετα, στους μονοκρυστάλλους ρουμπρενίου όπου δεν υπάρχουν όρια μικροκρυστάλλων, η ευκινησία των φορέων αγωγιμότητας βρέθηκε ανεξάρτητη του επιπλέον φωτισμού.Στο δεύτερο μέρος της διατριβής κατασκευάστηκαν οργανικά τρανζίστορ σε μορφή λεπτών υμενίων πεντακενίου με τη μέθοδο μοριακής δέσμης μέσω θερμικής εξάχνωσης. Τα τρανζίστορ αυτά μελετήθηκαν με τη φασματοσκοπία χωρικής διαμορφωμένης φωτοαγωγιμότητας. Μελετήθηκε η μεταβολή της χωρικής κατανομής των φορέων αγωγιμότητας στο κανάλι αγωγιμότητας μεταξύ της πηγής και του συλλέκτη σε διάφορες καταστάσεις λειτουργίας του τρανζίστορ. Oι μεταβολές της χωρικής κατανομής των φορέων στο κανάλι αγωγιμότητας του τρανζίστορ βρέθηκαν να σχετίζονται πολύ καλά με τις αντίστοιχες χαρακτηριστικές ρεύματος-τάσης.