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Markus Bronner

• In der vorliegenden Arbeit wird ambipolarer Ladungstransport in organischen Feldeffekttransistoren mittels Mischschichten aus Molekülen des p-leitenden Kupfer-Phthalocyanin und des n-leitenden Buckminsterfulleren realisiert. Diese Materialkombination ist aus der Forschung an organischen Solarzellen bekannt und kann als Modellsystem für ambipolaren Transport betrachtet werden. Die Beweglichkeiten für Elektronen und Löcher können über das Mischungsverhältnis eingestellt werden, wobei auch ausgeglichene Beweglichkeiten möglich sind. In dieser Arbeit wird der Einfluss des Mischungsverhältnisses auf die Beweglichkeiten, Schwellspannungen und die elektronischen Niveaus untersucht. Die Ladungsträgerbeweglichkeiten nehmen stark mit der Verdünnung der entsprechenden leitenden Phase durch die andere Materialsorte ab. Dies zeigt, dass der Transport einer Ladungsträgersorte durch Perkolation in der entsprechenden Phase der Mischschicht stattfindet. Eine starke Korrelation zwischen denIn der vorliegenden Arbeit wird ambipolarer Ladungstransport in organischen Feldeffekttransistoren mittels Mischschichten aus Molekülen des p-leitenden Kupfer-Phthalocyanin und des n-leitenden Buckminsterfulleren realisiert. Diese Materialkombination ist aus der Forschung an organischen Solarzellen bekannt und kann als Modellsystem für ambipolaren Transport betrachtet werden. Die Beweglichkeiten für Elektronen und Löcher können über das Mischungsverhältnis eingestellt werden, wobei auch ausgeglichene Beweglichkeiten möglich sind. In dieser Arbeit wird der Einfluss des Mischungsverhältnisses auf die Beweglichkeiten, Schwellspannungen und die elektronischen Niveaus untersucht. Die Ladungsträgerbeweglichkeiten nehmen stark mit der Verdünnung der entsprechenden leitenden Phase durch die andere Materialsorte ab. Dies zeigt, dass der Transport einer Ladungsträgersorte durch Perkolation in der entsprechenden Phase der Mischschicht stattfindet. Eine starke Korrelation zwischen den Kontaktwiderständen und den Beweglichkeiten weist auf eine diffusionslimitierte Ladungsträgerinjektion hin. Eine Ladungsumordnung innerhalb des Kupfer-Phthalocyanins führt zu einer Ansammlung von Löchern an der organik/organik-Grenzfläche und beeinflusst dadurch die Schwellspannung für Löcher. Die elektronische Struktur wurde mittels Photoelektronenspektroskopie untersucht. Es stellte sich heraus, dass es keine chemische Reaktion zwischen den beiden Materialien gibt. Die gemeinsamen Austrittsarbeiten der Mischschichten ändern sich linear zwischen den Austrittsarbeiten der reinen Materialien. Zudem liegt ein konstantes Ionisierungspotenzial für die höchsten besetzten Zustände und die Rumpfniveaus der beiden Materialien vor. Des Weiteren wurden ambipolare Inverter aus Mischschichten der beiden Materialien hergestellt und mit komplementären Invertern, bestehend aus diskreten p- und n-Kanal Transistoren, verglichen. Dabei zeigten die experimentellen Ergebnisse und die entsprechenden Simulationen, dass in beiden Fällen ausgeglichene Elektronen- und Löcherbeweglichkeiten für symmetrische Inverterkennlinien benötigt werden. Es konnte auch gezeigt werden, dass die komplementären Inverter den ambipolaren in ihrer Performance überlegen sind. Auch die Potenzialverteilung innerhalb des Kanals der Transistoren wurde gemessen und simuliert. Dabei stellte sich heraus, dass das Potenzial nicht nur von den angelegten Drain- und Gatespannungen, sondern auch von den im Kanal vorhandenen Ladungsträgern, abhängt. Im Gegensatz zu bisherigen Veröffentlichungen findet keine Rekombination zwischen Elektronen und Löchern statt. In Folge dessen gibt es Bereiche im Kanal, in denen sowohl Elektronen als auch Löcher vorliegen.…
• In this work ambipolar charge carrier transport is realised in organic field effect transistors using mixtures of p-conductive copper phthalocyanine and n-conductive buckminster fullerene as active layer. These blends are known from research on organic solar cells and can be considered as a model system for ambipolar transport. The field effect mobilities for electrons and holes can be adjusted by the variation of the mixing ratio. Thereby balanced mobilities for both charge carrier types are possible. In this work the variation of mobility, threshold voltage and electronic energy levels with the mixing ratio is discussed. The charge carrier mobilities are strongly reduced upon dilution of the respective conducting phase by the other species. This shows that transport of each carrier species occurs by percolation through the respective phase in the blend. A strong correlation between contact resistance and mobility indicates that carrier injection is diffusion limited. A chargeIn this work ambipolar charge carrier transport is realised in organic field effect transistors using mixtures of p-conductive copper phthalocyanine and n-conductive buckminster fullerene as active layer. These blends are known from research on organic solar cells and can be considered as a model system for ambipolar transport. The field effect mobilities for electrons and holes can be adjusted by the variation of the mixing ratio. Thereby balanced mobilities for both charge carrier types are possible. In this work the variation of mobility, threshold voltage and electronic energy levels with the mixing ratio is discussed. The charge carrier mobilities are strongly reduced upon dilution of the respective conducting phase by the other species. This shows that transport of each carrier species occurs by percolation through the respective phase in the blend. A strong correlation between contact resistance and mobility indicates that carrier injection is diffusion limited. A charge redistribution in the copper phthalocyanine causes a hole accumulation at the organic/organic interface and affects thereby the threshold voltage for holes. The electronic structure was investigated by photoelectron spectroscopy. It was found that there is no chemical reaction between the different materials. The common work function of these blends changes linearly between the work functions of the neat materials. Moreover, a constant ionisation potential for the highest occupied molecular orbitals of the two materials and the core levels is obtained. Furthermore ambipolar inverters using mixed organic semiconductor layers were made and compared to complementary inverters consisting of discrete p- and n-channel transistors. The experimental findings and concomitant simulations demonstrate the need for balanced electron and hole mobilities in order to achieve symmetric inverter characteristics. However, they also reveal the superior performance of true complementary logic inverters towards their ambipolar pendants. Also the potential distribution inside the channel of the transistors was measured and simulated. It was found that the potential is not only given by the applied drain and gate voltages but also by the charge carriers in the channel. In contrast to all present publications there is no recombination of electrons and holes in the channel. Hence, there are regions in the channel where both electrons and holes are accumulated.…