Herstellung und Charakterisierung organischer Dünnschicht-Filme

Es ist weithin bekannt, dass bei der Adsorption organischer Materialien auf Oberflächen im Anfangsstadium Morphologien und elektronische Effekte entstehen, die sich von den Eigenschaften des Festkörpers stark unterscheiden. Die Untersuchung solcher Effekte ist Fokus der Arbeit von Surface Science-Gruppen.

Eine Fragestellung, die unsere Gruppe beschäftigt ist die, inwiefern das Wachstum kristalliner Dünnfilme in weiteren Lagen (20-50 Moleküllagen) durch die Oberfläche des Substrats beeinflusst wird. Somit wird der Übergang zwischen der Absorption von Monolagen und molekularen Festkörpern untersucht.

In vielen Fällen werden auch weit über die erste Moleküllage hinaus die kristallinen Schichtsysteme durch die Eigenschaften des verwendeten Substrats beeinflusst. Dies ermöglicht das gezielte Einstellen der Dünnfilm-Eigenschaften durch geeignete Wahl des Substrats. Beispielsweise kann die globale Orientierung von Molekülen durch die Wahl passender Epitaxie-Relationen eingestellt werden. Dies ist speziell deshalb interessant, da molekulare Festkörper oftmals über eine starke Anisotropie ihrer optischen und elektronischen Eigenschaften verfügen. Auch die Reaktivität von Oberflächen resultiert selbst in Multilagen-Schichten in verschiedenen Schicht-Eigenschaften. Speziell reaktive Metalle wie Kupfer oder Silber induzieren oft völlig andere Adsorptions- und Wachstums-Modi als Isolatoren wie Siliziumdioxid oder Alkalihalogenide.

Die Struktur der Dünnfilmschichten, die mittels organischer Molekularstrahldeposition im Ultrahochvakuum hergestellt werden, wird in unserer Gruppe mittels Rastersondenmikroskopie (AFM, STM) oder optischer Mikroskopie untersucht. Zur Untersuchung der Adsorptionsplätze in ersten Lagen (speziell Monolagen) können Elektronenbeugungs-Messungen (LEED) durchgeführt werden. Zur Untersuchung der Kristallinität wird in naher Zukunft ein Röntgendiffraktometer zur Verfügung stehen. Die optischen Eigenschaften können durch Kooperationen mit anderen Arbeitsgruppen des Fachbereichs durch Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie (im IR-Bereich), durch UV/VIS-Spektroskopie und Terahertz-Spektroskopie untersucht werden.

Um elektronische Eigenschaften zu charakterisieren, steht uns regelmäßig Messzeit am Synchrotron BESSY II in Berlin zur Verfügung, wo als Messmethoden insbesondere NEXAFS (Nahkanten-Röntgen-Adsorptions-Spektroskopie) und Synchrotron-XPS zum Einsatz kommen. Die thermische Stabilität der Dünnfilme wird mit TDS (Thermo-Desorptions-Spektroskopie) und Thermo-Reflektionsmessungen untersucht.

In Kooperation mit externen Gruppen können zudem Bauteile auf Basis der untersuchten Systeme hergestellt und ihre makroskopischen elektronischen Eigenschaften untersucht werden. 

Wachstum organischer Kristalle

Zur genauen Studie der Struktur, der optischen Eigenschaften und elektronischen Transportcharakteristiken ist der Einsatz von Einkristallen organischer Materialien ein wichtiger Aspekt.

Die Zucht solcher Kristalle wird in unserer Arbeitsgruppe auf verschiedene Weisen durchgeführt:

Aus übersättigter Lösung

Wird ein Stoff in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst (in dem er nicht zersetzt wird), kann durch Einstellen passender Bedingungen (z.B. durch Abkühlen der Lösung oder anteiliges Verdampfen des Lösemittels) das Ausfallen des Stoffes bewirkt werden, d.h. ein Niederschlag von Kristalliten. Große Bedeutung kommt dabei der korrekte Wahl der Kristallisationsparameter (Lösemittelkonzentration, Temperatur, Heiz- und Abkühlrate), sowie der Wahl des Lösemittels zu.

Sublimation

Bei der Kristallzucht mittels Sublimation wird die Substanz als Festkörper im Vakuum erhitzt und durch Anlegen geeigneter Temperaturen sublimiert. Durch Einstellen einer flachen, monotonen Temperaturrampe wird erreicht, dass die Moleküle aus der Gasphase an einer bestimmten Position der Temperaturrampe wieder als Festkörper niederschlagen. Bei Einstellung korrekter Parameter (Temperaturrampe, Druck, Trägergas) können auf diese Weise große, wohlgeordnete Kristalle gezüchtet werden.

Hot-Wall-Verdampfung

Die Herstellung Organischer Kristalle mittels Hot-Wall-Verdampfung ähnelt prinzipiell der Herstellung kristalliner Dünnschichten mittels OMDB. Im Gegensatz zur OMDB wird allerdings der Übergang zwischen dem Tiegel mit der organischen Substanz und dem Trägersubstrat im Vakuum abgedichtet (durch den Einsatz einer Teflon-Dichtung auf einem verschiebbaren Träger). Bei Substrattemperaturen, die nahe der Desorptionstemperatur der Substanz liegen, ist der Haftkoeffizient der Moleküle bei Resublimation aus der Gasphase signifikant kleiner als 1. Im Falle normaler OMDB-Experimente werden Moleküle, die beim Auftreffen auf der Substrat-Oberfläche nicht haften, aus der Kammer abgepumpt. Bei Einsatz eines Hot-Wall-Verdampfers prallen solche Moleküle von der Oberfläche zurück, verbleiben aber aufgrund des abgedichteten Übergangs zwischen Tiegel und Substrat in der Nähe der Oberfläche und können somit wiederholt auf die Oberfläche treffen. Bei ausreichend langen Zeiten setzt deshalb ein effektiv höherer Haftkoeffizient ein. Aufgrund der hohen kinetischen Energien, über die die Moleküle aufgrund der hohen Substrattemperatur verfügen, weisen sie große Diffusionslängen auf. Diese ermöglichen den Molekülen langreichweitige Diffusion zu den energetisch bevorzugten Adsorptionsplätzen. Dieser Umstand resultiert in hochgradig geordneten Einkristallen.

Analyse-Techniken

• Rastersondenmikroskopie (SPM) an Luft (weitere Informationen)

• Rastertunnelmikroskopie (RTM) + Beugung niederenergetischer Elektronen (LEED) im Ultrahochvakuum (UHV) (weitere Informationen)

• Röntgenbeugung (XRD) (weitere Informationen)

• Thermodesorptionsspektroskopie (TDS) (weitere Informationen)

• Nahkanten Röntgenabsorptionsspektroskopie (NEXAFS) (weitere Informationen)