Macroscopic & nanoscale charge transport in poly(3-alkylthiophene)s: from single nanofiber to semi-crystalline thin films

Abstract

Tegenwoordig is elektronica gebaseerd op silicium. De componenten (diodes, transistors, zonnecellen) zijn van hoge kwaliteit maar helaas zijn ze heel duur. Dit komt door de hoge materiaalkosten van de silicium‐wafers en de hoge productiekosten (gebruik van hoge temperatuurstappen voor oxidatie en een cleanroom). Organische halfgeleiders bieden de mogelijkheid om de materiaalkosten te verlagen. Bovendien zijn zij oplosbaar in verschillende solventen. Dat betekent dat deze materialen kunnen aangebracht worden met goedkope printtechnieken. Daarenboven zijn polymeren plooibaar waardoor ze op verschillende gevormde oppervlakten aangebracht kunnen worden. Sinds enkele jaren bestaan er commerciële toepassingen in het veld van displays gebaseerd op organische lampen (zogenaamde OLEDs). Ook binnen het domein van organische zonnecellen gaat het snel vooruit: efficiënties van om en nabij de 10% zijn al realiteit. Al die toepassingen horen bij wat men noemt “organische elektronica”. Om het rendement van organische toepassingen te verhogen, is het belangrijk om te begrijpen hoe ze werken. Een cruciale eigenschap van organische halfgeleiders is de elektrische mobiliteit. Deze parameter beschrijft hoe gemakkelijk het is voor een elektron (of een gat) om te bewegen binnen een materiaal wanneer daarover een elektrisch veld is gezet. Natuurlijk geldt hierbij, hoe groter de mobiliteit, hoe beter het polymeer. De doelstelling van deze thesis is de studie van elektrische transporteigenschappen (m.a.w. de mobiliteit) voor de geconjugeerde polymeren uit de klasse van de poly(3‐alkylthiofen)en (P3AT) met poly(3‐hexylthiofeen) (P3HT) als bekendste exponent. In deze thesis wordt de mobiliteit onderzocht op twee verschillende lengteschalen: 1/ macroscopische studie op dunne filmen met behulp van veldeffecttransistors en 2/ nanoschaal elektrische karakterisatie op nanovezels, uitgevoerd met behulp van een atomaire kracht microscoop (AFM). In hoofdstuk 1 worden de kristalstructuur en morfologische eigenschappen van de nanovezels uitvoerig uitgelegd. Veldeffecttransistors als techniek om de mobiliteit van een materiaal te bepalen worden besproken in hoofdstuk 2. Belangrijke effecten zoals de trapping van elektronen en gaten komen eveneens aan bod. Deze methoden worden gebruikt in de rest van de thesis om de elektrische transporteigenschappen te bestuderen. Meer bepaald in hoofdstuk 3, waar wordt aangetoond dat de moleculaire oriëntatie aan het halfgeleider/diëlektricum grensvlak een cruciale rol speelt. Daarna wordt de mobiliteit bij lage temperaturen onderzocht om een beter inzicht te krijgen in het transportmechanisme (hoofdstuk 4). Gebruikmakende van een transportmodel (bekend als “Mobility Edge model”) worden de materiaaleigenschappen van dunne films bepaald. Tot zover het macroscopische deel van de studie. Het nanoschaal deel van de thesis begint met een volledige beschrijving van de home‐made glovebox gebouwd rond de AFM. De glovebox was noodzakelijke om metingen te doen onder een inerte atmosfeer (concentratie van zuurstof kleiner dan 50 ppm en concentratie van vochtigheid kleiner dan 10 ppm). Met de AFM kunnen we de potentiaal en de stroom op nanoschaal bestuderen. Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM) biedt de mogelijkheid om lokaal de oppervlaktepotentiaal te meten. Een volledige beschrijving van de techniek is gegeven in hoofdstuk 6, gevolgd door enkele metingen op teststalen. De bedoeling met KPFM was om de elektrische potentiaal op geïsoleerd nanovezels te bestuderen wanneer ze geplaatst zijn in a FET‐structuur. Door een lage laterale ruimtelijke resolutie (ongeveer 100 nm) was het onmogelijk om kwantitatieve resultaten te hebben. Conductive AFM (CAFM) (hoofdstuk 7) maakt gebruik van een aangelegd voltage tussen tip en staal om vervolgens de lokale verschillen in stroom te meten. Hierdoor kan men simultaan topografie en elektrische eigenschappen meten. Met behulp van CAFM werd de mobiliteit op individuele nanovezels gemeten: longitudinale mobiliteit langs de lengte van de nanovezels en transversale mobiliteit langs de diameter van de nanovezels. Bovendien werd een veldeffecttransistor gebouwd met behulp van CAFM, waarmee de elektrische weerstand van intersectiepunten van twee nanovezels gemeten kon worden. Hierbij kwam men tot de conclusie dat deze weerstand verwaarloosbaar is. Metingen gedaan op macro‐ en nanoschaal worden samengebracht in hoofdstuk 8. Enkele kwalitatieve transportmodellen worden voorgesteld: voor ladingstransport door een geïsoleerde nanovezel, door een netwerk van nanovezels en door een dunne film van nanovezels. Tevens worden de parameters besproken die de mobiliteit in organische dunne films beïnvloeden.