Elektrische und optische Transportmessungen an einkristallinen organischen Feldeffekt-Transistoren

Abstract

In dieser Arbeit wird der Ladungstransport in organischen Halbleitern untersucht. Es gelang mit Infrarotspektroskopie quasi-freie Ladungsträger bei Raumtemperatur nachzuweisen und Werte für die effektive Masse sowie die mittlere freie Weglänge der Ladungsträger zu bestimmen.

Als Proben dienten plattenförmige Einkristalle aus Tetracen (2,3-Benzanthracen) und Rubren (5,6,11,12-Tetraphenylnaphthacen), die in einem Rohrofen im Wasserstoffstrom gezogen wurden. Auf den Kristallen wurden organische Feldeffekt-Transistoren (OFET) präpariert, mit Drain- und Source-Elektroden aus Leitsilber, dem Gate-Isolator aus Poly-para-Xylylen (PPX) und der Gate-Elektrode aus aufgedampften Gold oder Nickel-Chrom.

Aus der Messung raumladungsbegrenzter Ströme (space charge limited currents, SCLC) in der (ab)-Ebene an der Oberfläche der Kristalle wurde in Tetracen ein diskretes Fallenniveau für Löcher mit einer Fallentiefe von etwa 340 meV und einer mittleren Flächen-Fallendichte von 4*10^10 cm^-2 nachgewiesen. Einkristalle aus Rubren zeigen ein Fallenniveau mit der Fallentiefe 380 meV und einer Flächen-Fallendichte um 2*10^9 cm^-2. Die untere Grenze für die Löcherbeweglichkeit bei Raumtemperatur in der (ab)-Ebene aus den Feldeffektmessungen in Zweipunktgeometrie liegt in Tetracen bei 0,8 cm^2/Vs und in Rubren bei 6 cm^2/Vs.

Mit Fourier-Transform-Infrarot-Spektroskopie wurden differentielle Transmissionsspektren durch Rubren-OFETs im Frequenzbereich von 100 cm^-1 bis 6000 cm^-1 aufgenommen. Diese Infrarot-Spektren der angesammelten Ladungsträger in einem Rubren-OFET zeigen neben einer Drude-Anregung, zwei breite Maxima (bei 2190 cm^-1 und 2940 cm^-1) sowie viele schmale Maxima von den eines um 475 cm^-1 in der Intensität heraussticht.

Die breiten Maxima lassen sich dem Fallenniveau aus den SCLC-Messungen und einem von Mitrofanov et al. (PRL 97, p. 166601, 2006) beschriebenen Niveau zuordnen. Die schmalen Maxima können auf Vibrationsmoden in Molekülen zurückgeführt werden. Das Maximum um 475 cm^-1 wird möglicherweise durch eine Anregung aus dem polaronischen Zustand verursacht.

Die frequenzabhängige Leitfähigkeit nach dem Drude-Modell kann mit einer Plasmafrequenz von 415 cm^-1 und eine Streurate von etwa 590 cm^-1 an das Spektrum angepasst werden. Aus der Plasmafrequenz und der Ladungsträgerdichte im OFET ergibt sich für die effektive Masse der Löcher ein Wert von etwa 1,9 Elektronenmassen. Die Streurate entspricht einer Lebensdauer des Transportzustandes von 9 fs. Lebensdauer und die Bandbreite von 341 meV (da Silva, Adv Mater 17, p. 1072, 2005) ergeben abgeschätzt eine mittlere freie Weglänge von über zwei Gitterkonstanten.

Die spektroskopisch bestimmte Leitfähigkeit bei niedrigen Frequenzen stimmt mit der Leitfähigkeit aus DC-Messungen überein. Folglich beschreibt das Drude-Modell für quasi-freie Ladungsträger die Spektren sehr gut. Auf Basis der spektroskopischen Messungen werden Einwände gegen die Annahme von Bandtransport diskutiert und es wird gefolgert, dass Löcher in der (ab)-Ebene von Rubren-Einkristallen bei Raumtemperatur sich quasi-frei in Energiebändern bewegen (Bandtransport).

This study investigates the charge transport in organic semiconductors. Using infrared spectroscopy quasi free charge carriers at room temperature were detected and values for the effective mass and the mean free path of the charge carriers were determined.

Single crystals platelets from tetracene (2,3-benzanthracene) and rubrene (5,6,11,12-tetraphenylnaphthacene) were investigated, which have been grown in a tube furnace under a stream of hydrogen. On top of the crystals organic field-effect transistors (OFET) have been prepared using conducting silver paint for the drain and source electrodes, poly-para-xylylene (PPX) for the gate insulator and evaporated gold or nickel chrome for the gate electrode.

The crystals have been characterized by measurements of space charge limited currents (SCLC) along the (ab)-plane. In the tetracene crystals a discrete trap level for holes with a depth of 340 meV and a density of on average 4*10^10 cm^-2 has been detected. The rubene single crystals show a trap level at 380 meV with a density of 2*10^9 cm^-2. The lower limit for the hole mobility in the (ab)-plane at room temperature from field-effect measurements in tetracene is at 0.8 cm^2 /Vs and in rubrene at 6 cm^2/Vs.

Differential transmission spectra of rubrene OFETs between 100 cm^-1 and 6000 cm^-1 have been acquired by the means of Fourier transform infrared spectroscopy. The infrared spectra of the accumulated charge in a rubrene OFET exhibit a Drude response, two broad maxima (at 2190 cm^-1 and 2940 cm^-1) and several narrow peaks, of which one around 475 cm^-1 exceeds the others in height.

The broad maxima can be assigned to the trap level found in the SCLC measurements and a trap level described by Mitrofanov et al. (PRL 97, p. 166601, 2006). The narrow peaks can be attributed to vibrational modes in the molecules. The peak around 475 cm^-1 is possibly caused by the excitation out of a polaronic state.

The frequency dependent conductivity of the Drude model can be fitted to the spectra using a plasma frequency of 415 cm^-1 and scattering rate of 590 cm^-1. The plasma frequency and the carrier density in the OFET result in an effective mass of the holes of 1.9 electron masses. The scattering rate corresponds to a life time of the transport state of 9 fs. The life time and the band width of 341 meV (da Silva, Adv Mater 17, p. 1072, 2005) lead to an estimation for the mean free path larger than two lattice constants.

The conductivity at low frequencies determined spectroscopically coincides with the conductivity from dc measurements. Hence the Drude model describing quasi-free carriers resembles the spectrum very well. Based on the spectroscopic measurements objections against the assumption of band transport are discussed and it is concluded that holes in the (ab)-plane of rubrene single crystals move at room temperature quasi free in energy bands (band transport).