Dr. rer. nat. Ovidiu Dorin Gordan

Molecular Orientation and Electronic Interactions in Organic Thin Films Studied by Spectroscopic Ellipsometry

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http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:swb:ch1-200601938

Kurzfassung in Englisch

In this work the molecular growth mode of several organic molecules was studied using a combination of variable angle spectroscopic ellipsometry (VASE) and Infrared spectroscopy (IR) as investigations tools. As organic systems several Phthalocyanine molecules, 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic dianhydride (PTCDA), tris-(8-hydroxyquinoline)-aluminum(III) (Alq3) / N,N’-Di-[(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl]-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamine (a-NPD) were investigated.

The ordered growth of the Pcs and PTCDA and their intrinsic optical anisotropy of their planar molecular structure give rise to highly anisotropic layers. In contrast with the planar molecules, Alq3 and a-NPD form homogenous isotropic films with a very low surface roughness. As a non-destructive and very surface sensitive technique, ellipsometry allows the thickness, the surface roughness and optical constants to be accurately determined. From the strong in-plane /out-of-plane anisotropy of the dielectric function the average molecular orientation angle of the Pc’s molecules was determined. The knowledge of the molecular orientation combined with the information accessible from the shape of the Q-band of the Pc can provide an insightful picture of the molecular growth. While the Pc layers grown on HV condition grow with the b-axis (stacking axis) perpendicular to the substrate and F16PcVO lies on the KBr substrates, the Pc samples prepared in UHV adopt a parallel to the substrate b-axis configuration. These results were confirmed by reflection IR measurements performed in s and p polarization. The ellipsometric studies on heterostructures proved that PTCDA has a template effect on the Pc growth and the interaction between this two molecules affects the optical response at the interfaces. In contrast with this system where rough interfaces were assumed in the model, the combination Alq3 / a-NPD gives sharp optical interfaces.

The in-situ measurements performed at BESSY proved that sub-monolayer sensitivity can be achieved in the VUV range using spectroscopic ellipsometry and moreover the dielectric function of these ultra-thin films can be determined. A spectral shift towards higher energies of the Alq3 and a-NPD features was observed for sub-monolayers on silicon substrate when compared with the bulk reference. The smaller shift observed for the Alq3 sub-monolayers on ZnO substrate indicate that the effect of the silicon substrate has to be taken into account when explaining the spectral behaviour of the sub-monolayers.

Kurzfassung in Deutsch

In dieser Arbeit wurde das Wachstum von organischen Molekülschichten mit Hilfe einer Kombination aus spektroskopischer Ellipsometrie mit variablem Einfallswinkel "Variable Angle Spectroscopic Ellipsometry (VASE)" und Infrarotspektroskopie (IR) untersucht. Als organische Systeme wurden verschiedene Phthalocyaninmoleküle (Pc), 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäure Dianhydrid (PTCDA) und tris-(8-hydroxochinolin)-Aluminium(III) (Alq3) / N,N’-Di-[(1-naphthyl)-N,N’-diphenyl]-(1,1’-biphenyl)-4,4’-diamin (α-NPD) betrachtet.

Das geordnete Wachstum der Pcs und von PTCDA führt, bedingt durch die intrinsische optische Anisotropie der planaren organischen Moleküle, zu hochgradig anisotropen Schichten. Im Gegensatz zu den planaren Molekülen bilden Alq3 und α-NPD homogene isotrope Filme mit einer sehr geringen Oberflächenrauigkeit aus. Als eine nicht destruktive und sehr oberflächensensitive Technik, erlaubt es die Ellipsometrie, die Dicke, die Oberflächenrauigkeit und die optischen Konstanten genau zu bestimmen. Aus der starken in-plane / out-of-plane Anisotropie der dielektrischen Funktion wurde der mittlere molekulare Orientierungswinkel der Pc-Moleküle bestimmt. Die Kenntnis der molekularen Orientierung, verknüpft mit der in der Form des Q-Bandes der Pc-Moleküle enthaltenen Information, gewährt Einblick in das molekulare Wachstumsverhalten. Während die Pc-Schichten unter Hochvakuumbedingungen mit der b-Achse (Stapelachse) senkrecht zum Substrat wachsen und F16PcVO sich flach auf die KBr-Substrate legt, nehmen die unter Ultrahochvakuumbedingungen hergestellten Pc-Proben eine parallel zum Substrat liegende b-Achsenanordnung ein. Diese Ergebnisse wurden mit IR-Messungen bestätigt, welche in s- und p-Polarisation durchgeführt wurden. Die ellipsometrischen Untersuchungen an Heterostrukturen haben bewiesen, dass PTCDA einen Template-Effekt auf das Wachstum der aufwachsenden Pc-Schicht hat und dass die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Molekülen die Reaktion an der Grenzflächenschicht beeinflusst. Im Gegensatz zu diesem System, bei dem raue Grenzflächen im Modell verwendet wurden, ergibt die Kombination Alq3 / α-NPD scharfe Grenzflächen.

Die in-situ-Messungen, welche bei BESSY durchgeführt wurden, bewiesen, dass Submonolagensensitivität im Vakuum-ultravioletten Spektralbereich mit Hilfe der spektroskopischen Ellipsometrie erreicht und zudem die dielektrische Funktion bestimmt werden kann. Verglichen mit dicken Schichten als Referenz, wurde auf Siliziumsubstraten für Submonolagen eine spektrale Verschiebung der Alq3- and α-NPD-Absorptionsbanden zu höheren Energien beobachtet. Die kleinere Verschiebung, die für Alq3-Submonolagen auf ZnO-Substraten beobachtet wurde, deutet an, dass der Einfluss des Siliziumsubstrates in Betracht gezogen werden muss, wenn man das spektrale Verhalten der Submonolagen erklären will.

weitere Metadaten

Schlagwörter
optische Konstanten
Schlagwörter
organische dünne Schichten
SWD SchlagworteAnisotropie
SWD SchlagworteDielektrische Funktion
SWD SchlagworteEllipsometrie
SWD SchlagworteInfrarotspektroskopie
DDC Klassifikation530
Institution(en) 
HochschuleTU Chemnitz
FakultätFakultät für Naturwissenschaften
BetreuerProf. Dr. Dr. h.c. Dietrich R. T. Zahn
GutachterProf. Dr. Dr. h.c. Dietrich R. T. Zahn
Prof. Dr. Frank Richter
Prof. Dr. Norbert Esser
DokumententypDissertation
SpracheEnglisch
Tag d. Einreichung (bei der Fakultät)18.07.2006
Tag d. Verteidigung / Kolloquiums / Prüfung03.11.2006
Veröffentlichungsdatum (online)09.11.2006
persistente URNurn:nbn:de:swb:ch1-200601938

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