Growth morphology of para-hexaphenyl on exfoliated hexagonal boron nitride flakes

Titel in Übersetzung: Wachstumsmorphologie von Para-Hexaphenyl auf exfolierten hexagonalen Bornitrid-Flocken

Jakob Genser

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDiplomarbeit

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Abstract

Organische Halbleiter sind seit etwa einem Vierteljahrhundert Gegenstand aktiver Forschung, in der Zwischenzeit mit einer Reihe von relevanten industriellen Anwendungen, wie energie-effiziente Beleuchtung, organische und hybride Solarzellen sowie einer Vielzahl von Sensorvorrichtungen. Der wichtigste Bestandteil jedes organischen Feldeffekttransistors ist die Schnittstelle zwischen Gate-Dielektrikum und organischem Halbleiter, da sie den Ladungsrägertransport definiert. Interface-Engineering hat sich als ein effektiver Ansatz zur Erhöhung der Bauelementqualität und -leistung etabliert. Vor kurzem wurden zweidimensionale Materialien als Gate-Dielektrikum vorgeschlagen, auf denen epitaktisch gewachsene, dünne organische Filme die aktive Schicht bilden. Sie ermöglichen die Herstellung von extrem dünnen und flexiblen elektronischen Bauelementen mit einer atomar glatten und bindungsfreien Schnittstelle, aufgrund ihrer van der Waals-Bindungseigenschaften. Unter diesen Materialien erwies sich hexagonales Bornitrid (hBN) als einer der vielversprechendsten Kandidaten für zukünftige industrielle Großanwendungen, da es einer hohen elektrischen Feldstärke standhalten kann, in großem Maßstab herstellbar, chemisch inert, sehr flexibel und optisch transparent ist. Diese Arbeit widmet sich der Untersuchung des epitaktischen Wachstums des organischen Halbleiters Para-Hexaphenyl (6P), welcher als Beispiel für stabförmige konjugierte Moleküle dient, auf hBN-Substraten. Hochqualitative, atomar dünne hBN-Flocken, erhalten durch mikromechanisches Exfolieren, wurden eingesetzt, und die 6P-Moleküle wurden mittels Hot-Wall-Epitaxy abgeschieden. Die Morphologie der nadelartigen 6P-Kristallite wurde in Abhängigkeit der Abscheidungstemperatur (293-413 K) und der hBN-Substratdicke mit Hilfe von Rasterkraftmikroskopie analysiert. 6P bildet in dem untersuchten Temperaturbereich nadelförmige Kristallite aus flachliegenden Molekülen, die sich bei erhöhten Wachstumstemperaturen zu Netzwerken aus langen Nadeln formieren, welche nur durch die laterale Größe des hBN-Substrats begrenzt sind. Gleichzeitig verringert sich die Nadeldichte mit steigenden Temperaturen. Die hBN-Substratdicke zeigte einen großen Einfluss auf die resultierende 6P-Nadellänge und deren Ordnungsgrad. Es wurde gefunden, dass eine minimale hBN-Dicke von 1,5 nm erforderlich ist, um negative Auswirkungen auf die Morphologie zu vermeiden, die sich aus der hBN/SiO2 Grenzfläche ergeben. Darüber hinaus wurde die epitaktische Beziehung zwischen den 6P-Kristalliten und der Basisebene von hBN untersucht. Die Analyse der Rasterkraftmikroskopie-Aufnahmen ergab insgesamt sechs bevorzugte Orientierungen von 6P-Nadeln auf dem hBN-Substrat. Um die genaue Adsorptionsposition von 6P auf hBN zu bestimmen, wurde die experimentell beobachtete Morphologie mit Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen verglichen. Es zeigte sich, dass die energetisch günstigste Adsorptionslage einzelner 6P Moleküle entlang der hBN „Armchair“-Richtung orientiert ist, wobei die Mitte der Phenylringe über den Stickstoffatomen des hBN-Substrats liegt. Daher werden Nadelwachstumsrichtungen entlang der „Zigzag“-Richtung des hBN-Substrats erwartet. Die beobachtete Abweichung von 6P Nadelorientierungen um ±5° von diesen „Zigzag“-Richtungen kann durch die Bildung der zuvor bereits auf Cu (110)-Substraten gefundenen (-629)-Kontaktebene von 6P erklärt werden. Die erzielten Ergebnisse ermöglichen ein tieferes Verständnis des Wachstums und der Morphologie von stabförmigen organischen Molekülen auf der hBN-Oberfläche.
Titel in ÜbersetzungWachstumsmorphologie von Para-Hexaphenyl auf exfolierten hexagonalen Bornitrid-Flocken
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDipl.-Ing.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Teichert, Karl Christian, Betreuer (intern)
  • Matkovic, Aleksandar, Mitbetreuer (intern)
Datum der Bewilligung16 Dez. 2016
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2016

Bibliographische Notiz

gesperrt bis null

Schlagwörter

  • hexagonales Bornitrid
  • hBN
  • Para-Hexaphenyl
  • 6P
  • Rasterkraftmikroskopie
  • AFM
  • zweidimensionale Materialien
  • van der Waals Materialien
  • Hot-Wall-Epitaxy

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