Search

In this account, we discuss the common molecular features and the related chemistry concepts across several different areas of organic electronics, including molecular semiconductors and single-molecule junctions. Despite seemingly diverse charge transport mechanisms and device set-ups, various molecular electronics systems can benefit from the same fundamental principles of physical organic chemistry, based upon the electronic structure and geometry of their molecular building blocks and the intermolecular interactions between them. This is not an exhaustive review of organic electronics, but rather a focused account of primarily our own recent efforts aimed at developing a unified approach to understanding and designing conductive molecular species for diverse electronic applications.

Summary Systems in which movements occur on two significantly different time domains, such as organic electronic components with flexible molecules, require different simulation techniques for the two time scales. In the case of molecular electronics, charge transport is complicated by the several different mechanisms (and theoretical models) that apply in different cases. We cannot yet combine time scales of molecular and electronic movement in simulations of real systems. This review describes our progress towards this goal.

In der vorliegenden Arbeit wird die neuartige Mikroskopiemethode der Ptychographie für die Untersuchung photorefraktiver Materialien genutzt. Photorefraktive Materialien zeichnen sich durch die Generation lichtinduzierter Brechungsindexänderungen aus. Die Ptychographie bietet die Möglichkeit, neben der generierten Brechungsindexänderung im photorefraktiven Material auch die für die Generation genutzte Intensitätsverteilung des Laserstrahls zu bestimmen. Es wird sowohl die Abhängigkeit der Brechungsindexänderung von der Zeit der Generation als auch die Abhängigkeit von der Polarisation des Lasers gemessen. Durch den Vergleich der gewonnenen Werte mit einer numerischen Simulation des photorefraktiven Effekts werden mikroskopische Parameter der lichtinduzierten Ladungswanderung ermittelt. Zudem wird aus der polarisationsabhängigen ptychographischen Messung das Raumladungsfeld und die korrespondierende Ladungsdichte im Material berechnet. Die Ptychographie liefert damit einen neuen Zugang zum quantitativen Verständnis der Photorefraktivität.:1 Einleitung 2 Theoretische Vorbetrachtungen 2.1 Ptychographie 2.1.1 Messung 2.1.2 Modell und Rekonstruktion 2.1.3 Ortsauflösung 2.2 Photorefraktiver Efekt 2.2.1 Lithiumniobat - Musterbeispiel für die Photorefraktivität 2.2.2 Ein-Zentrum-Modell 2.2.3 Brechungsindexänderung 2.2.4 Hohe Intensitäten 2.3 Raumladungsfeld 2.3.1 Ableitung des Feldes aus den Messgrößen 2.3.2 Raumladungsverteilung 2.3.3 Oberflächendeformation 2.3.4 Dynamik der Ladungen und des Feldes 3 Messungen 3.1 Proben 3.1.1 Ptychographische Teststruktur 3.1.2 LiNbO3:Fe 3.2 Versuchsanordnung 3.2.1 Experimenteller Aufbau 3.2.2 Grenze der Ortsauflösung 3.2.3 Charakterisierung des Laserstrahls 3.2.4 Experimentelle Überprüfung der Näherungen 3.3 Dynamik der Brechungsindexänderung 3.4 Polarisationsabhängigkeit der Brechungsindexänderung 4 Auswertung 4.1 Dynamik des Raumladungsfeldes und der Ladungen 4.1.1 Simulation 4.1.2 Vergleich zwischen Messung und Simulation 4.1.3 Dynamik der Ladungsverteilung 4.1.4 Fazit 4.2 Berechnung des Raumladungsfeldes 4.2.1 Raumladungsfeld und Ladungsverteilung 4.2.2 Simulation 4.2.3 Asymmetrie der Ladungsverteilung 4.2.4 Fazit 5 Zusammenfassung Appendizes A Physikalische Konstanten B Tensoren für LiNbO3 C Ungenäherte Herleitung der Brechungsindexänderung D Implementierung eines iterativen Verfahrens zur Bestimmung der Dynamik des Ein-Zentrum-Modells E Quelltext der Implementierung des iterativen Verfahrens Literaturverzeichnis In the present thesis the novel microscopy technique of ptychography is applied to the investigation of photorefractive materials. Photorefractive materials exhibit a change of the refractive index due to the exposure to light. The method of ptychography determines the refractive index change of the material together with the intensity distribution of the laser beam that was used for its generation. In one part of the experiment the time dependence of the refractive index change versus the generation time is investigated, in the other part of the experiment the dependence of the refractive index change to the polarisation of the laser beam is examined. Microscopic parameters of the photorefractive charge migration are determined with the utilisation of a numerical simulation of the photorefractive effect and its comparison with the measurement. Finally, the whole space charge field with the corresponding space charge density is calculated from a set of ptychographic measurements of one refractive index change with different polarisation directions of the laser. The presented experiments and their evaluation show, that the method of ptychography opens a new possibility for a quantitative understanding of the photorefractive effect.:1 Einleitung 2 Theoretische Vorbetrachtungen 2.1 Ptychographie 2.1.1 Messung 2.1.2 Modell und Rekonstruktion 2.1.3 Ortsauflösung 2.2 Photorefraktiver Efekt 2.2.1 Lithiumniobat - Musterbeispiel für die Photorefraktivität 2.2.2 Ein-Zentrum-Modell 2.2.3 Brechungsindexänderung 2.2.4 Hohe Intensitäten 2.3 Raumladungsfeld 2.3.1 Ableitung des Feldes aus den Messgrößen 2.3.2 Raumladungsverteilung 2.3.3 Oberflächendeformation 2.3.4 Dynamik der Ladungen und des Feldes 3 Messungen 3.1 Proben 3.1.1 Ptychographische Teststruktur 3.1.2 LiNbO3:Fe 3.2 Versuchsanordnung 3.2.1 Experimenteller Aufbau 3.2.2 Grenze der Ortsauflösung 3.2.3 Charakterisierung des Laserstrahls 3.2.4 Experimentelle Überprüfung der Näherungen 3.3 Dynamik der Brechungsindexänderung 3.4 Polarisationsabhängigkeit der Brechungsindexänderung 4 Auswertung 4.1 Dynamik des Raumladungsfeldes und der Ladungen 4.1.1 Simulation 4.1.2 Vergleich zwischen Messung und Simulation 4.1.3 Dynamik der Ladungsverteilung 4.1.4 Fazit 4.2 Berechnung des Raumladungsfeldes 4.2.1 Raumladungsfeld und Ladungsverteilung 4.2.2 Simulation 4.2.3 Asymmetrie der Ladungsverteilung 4.2.4 Fazit 5 Zusammenfassung Appendizes A Physikalische Konstanten B Tensoren für LiNbO3 C Ungenäherte Herleitung der Brechungsindexänderung D Implementierung eines iterativen Verfahrens zur Bestimmung der Dynamik des Ein-Zentrum-Modells E Quelltext der Implementierung des iterativen Verfahrens Literaturverzeichnis

Für die Nutzung von ZnO in farbstoffsensibilisierten Festkörpersolarzellen wurden angepasste kompakte und nanoporöse ZnO-Schichten für die Verwendung des organischen Lochleiters spiro-OMeTAD benötigt. Zur Realisierung dieses Ziels wurden die experimentellen Rahmenbedingungen der elektrochemischen Abscheidung überprüft, Einflüsse auf die Abscheidung analysiert und der Abscheideprozess optimiert, sodass ZnO-Schichten mit hoher Reproduzierbarkeit und guter Schichtqualität abgeschieden werden konnten. Anschließend wurde an unter optimierten Bedingungen abgeschiedenen und farbstoffsensibilisierten ZnO-Schichten die Homogenität der von sichtbaren Licht induzierten Photospannung mittels der Kelvin-Rasterkraftmikroskopie gezeigt. Darüber hinaus wurde die lichtinduzierte Änderung der Photospannung zeitabhängig analysiert. Schnelle Änderungen der Photospannung wurden analysiert indem die deutliche höhere zeitliche Auflösung innerhalb eines Linienscans genutzt wurde. Untersuchungen an farbstoffsensibilisierten Solarzellen mit Elektrolytkontakt zeigten den Einfluss auf die Transporteigenschaften der ZnO-Schichten bei einer Veränderung des Anions in der Abscheidelösung. Zudem verifizierten diese Solarzellen die erreichte Qualität des elektrochemisch abgeschiedenen ZnO. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde das Kontaktverhalten verschiedener elektrochemisch abgeschiedener und nicht elektrochemisch abgeschiedener ZnO-Schichten mit spiro-OMeTAD untersucht. Über die elektrochemische Abscheidung wurden kompakte ZnO-Schichten hergestellt, die hervorragend sperrende und gleichrichtende Eigenschaften im Vergleich zu TiO2-Referenzschichten besitzen. Eine Anpassung der porösen ZnO-Struktur wurde durch den Einsatz verschiedener strukturdirigierender Agenzien durchgeführt. Mit einer Mischung der strukturdirigierenden Agenzien EosinY und Cetyltrimethylammoniumbromid konnte eine nanoporöse ZnO-Struktur mit Poren im Bereich von 20 bis 25 nm etabliert werden, die für den Lochleiter eine gut zugängliche Oberflächentopographie bietet. Durch die Güte der kompakten ZnO-Schichten und die an den Lochleiter spiro-OMeTAD angepassten Porenstruktur der porösen ZnO-Schichten wurde für farbstoffsensibilisierte ZnO-Festkörpersolarzellen die bisher höchste Effizienz mit einem Wirkungsgrad von 0,95 % erreicht. Im Hinblick auf die Nutzung von flexiblen Festkörpersolarzellen wurde die Übertragung der Ergebnisse auf Textilien untersucht. For the utilization of ZnO in solid-state dye-sensitized solar cells compact and porous ZnO layers were adapted for the application of the organic hole conductor spiro-OMeTAD. To achieve this goal, the experimental framework conditions of the electrochemical deposition were revised, influences on the deposition were analyzed and the deposition routine was optimized. With this background it was possible to deposit ZnO layers of high reproducibility and good film quality. Subsequently, photo-kelvin atomic force microscopy was used to show the homogeneity of light induced photovoltage of dye-sensitized ZnO layers prepared under the optimized conditions. Further, the generation and decay of photovoltage under pulsed illumination was studied over time. Fast changes of the photovoltage were analyzed within a line scan utilizing the significantly increased time resolution. Studies on dye-sensitized solar cells containing an electrolyte revealed the influence of the anion in the deposition bath on the transport properties of ZnO. Additionally, they served as verification for the achieved quality of electrodeposited ZnO. Based on these findings, the contact behaviour of different electrochemical deposited and non-electrochemical deposited ZnO layers were investigated. The electrochemical deposition enabled to prepare excellent blocking and rectifying compact ZnO layers in comparison to TiO$_2$ reference layers. Adaption of the porous ZnO structure was carried out by the use of different structure directing agents. A porous ZnO structure with pores sizes of about 20 to 25 nm was created by a mixture of the structure directing agents EosinY and Cetyltrimethylammoniumbromid. Thus, a good accessible surface topography for the hole conductor was achieved. The high quality of the prepared compact ZnO layer and the pore structure of the porous ZnO layer which was adapted to spiro-OMeTAD empowered to achieve the highest efficiency for ZnO-based solid-state dye-sensitized solar cells of 0.95 %. In view of a utilization of flexible solid-state solar cells, a transfer of the findings to textiles was investigated.

Für die Nutzung von ZnO in farbstoffsensibilisierten Festkörpersolarzellen wurden angepasste kompakte und nanoporöse ZnO-Schichten für die Verwendung des organischen Lochleiters spiro-OMeTAD benötigt. Zur Realisierung dieses Ziels wurden die experimentellen Rahmenbedingungen der elektrochemischen Abscheidung überprüft, Einflüsse auf die Abscheidung analysiert und der Abscheideprozess optimiert, sodass ZnO-Schichten mit hoher Reproduzierbarkeit und guter Schichtqualität abgeschieden werden konnten. Anschließend wurde an unter optimierten Bedingungen abgeschiedenen und farbstoffsensibilisierten ZnO-Schichten die Homogenität der von sichtbaren Licht induzierten Photospannung mittels der Kelvin-Rasterkraftmikroskopie gezeigt. Darüber hinaus wurde die lichtinduzierte Änderung der Photospannung zeitabhängig analysiert. Schnelle Änderungen der Photospannung wurden analysiert indem die deutliche höhere zeitliche Auflösung innerhalb eines Linienscans genutzt wurde. Untersuchungen an farbstoffsensibilisierten Solarzellen mit Elektrolytkontakt zeigten den Einfluss auf die Transporteigenschaften der ZnO-Schichten bei einer Veränderung des Anions in der Abscheidelösung. Zudem verifizierten diese Solarzellen die erreichte Qualität des elektrochemisch abgeschiedenen ZnO. Auf diesen Ergebnissen aufbauend wurde das Kontaktverhalten verschiedener elektrochemisch abgeschiedener und nicht elektrochemisch abgeschiedener ZnO-Schichten mit spiro-OMeTAD untersucht. Über die elektrochemische Abscheidung wurden kompakte ZnO-Schichten hergestellt, die hervorragend sperrende und gleichrichtende Eigenschaften im Vergleich zu TiO2-Referenzschichten besitzen. Eine Anpassung der porösen ZnO-Struktur wurde durch den Einsatz verschiedener strukturdirigierender Agenzien durchgeführt. Mit einer Mischung der strukturdirigierenden Agenzien EosinY und Cetyltrimethylammoniumbromid konnte eine nanoporöse ZnO-Struktur mit Poren im Bereich von 20 bis 25 nm etabliert werden, die für den Lochleiter eine gut zugängliche Oberflächentopographie bietet.Durch die Güte der kompakten ZnO-Schichten und die an den Lochleiter spiro-OMeTAD angepassten Porenstruktur der porösen ZnO-Schichten wurde für farbstoffsensibilisierte ZnO-Festkörpersolarzellen die bisher höchste Effizienz mit einem Wirkungsgrad von 0,95 % erreicht. Im Hinblick auf die Nutzung von flexiblen Festkörpersolarzellen wurde die Übertragung der Ergebnisse auf Textilien untersucht., For the utilization of ZnO in solid-state dye-sensitized solar cells compact and porous ZnO layers were adapted for the application of the organic hole conductor spiro-OMeTAD. To achieve this goal, the experimental framework conditions of the electrochemical deposition were revised, influences on the deposition were analyzed and the deposition routine was optimized. With this background it was possible to deposit ZnO layers of high reproducibility and good film quality. Subsequently, photo-kelvin atomic force microscopy was used to show the homogeneity of light induced photovoltage of dye-sensitized ZnO layers prepared under the optimized conditions. Further, the generation and decay of photovoltage under pulsed illumination was studied over time. Fast changes of the photovoltage were analyzed within a line scan utilizing the significantly increased time resolution. Studies on dye-sensitized solar cells containing an electrolyte revealed the influence of the anion in the deposition bath on the transport properties of ZnO. Additionally, they served as verification for the achieved quality of electrodeposited ZnO. Based on these findings, the contact behaviour of different electrochemical deposited and non-electrochemical deposited ZnO layers were investigated. The electrochemical deposition enabled to prepare excellent blocking and rectifying compact ZnO layers in comparison to TiO$_2$ reference layers. Adaption of the porous ZnO structure was carried out by the use of different structure directing agents. A porous ZnO structure with pores sizes of about 20 to 25 nm was created by a mixture of the structure directing agents EosinY and Cetyltrimethylammoniumbromid. Thus, a good accessible surface topography for the hole conductor was achieved.The high quality of the prepared compact ZnO layer and the pore structure of the porous ZnO layer which was adapted to spiro-OMeTAD empowered to achieve the highest efficiency for ZnO-based solid-state dye-sensitized solar cells of 0.95 %. In view of a utilization of flexible solid-state solar cells, a transfer of the findings to textiles was investigated.

Charge transport measurements on the nanometer scale are presented in this work. For these measurements, a combination of a scanning electron microscope (SEM) and a scanning tunneling microscope (STM) was used in ultrahigh vacuum environment. In order to perform vertical and lateral transport measurements, a double-tip STM was developed. The double-tip STM is described in this work. The design of this double-tip STM is based on the well-proven beetle-type design. It makes it possible to coaxially combine two beetle-type STM with each other in a small space. Due to this new design concept, it was possible to construct the double-tip STM very compactly so that the resolution and the freedom of movement of the STM tips are comparable to those of a single-tip beetle-type STM. The imaging capabilities of the double-tip STM will be demonstrated by atomically resolved pictures of the Si(111)-7x7 surface, obtained with each tip. The resolution limit of the SEM was determinated as approx. 50 nm. Furthermore, it is shown that the interaction of the SEM and the double-tip STM functions correctly. To this end, the two STM tips were brought close together, while being monitored by the SEM. The two STM were then able to image the same area at the Si(111) surface. The charge transport measurements presented here are subdivided into vertical and lateral transport. New ohmic nanocontacts, based on low-temperature-grown GaAs, were investigated for the vertical transport measurements. For this purpose, one STM tip was brought into contact with these devices. Additionally, GaAs-based resonant tunneling diode structures with side lengths of down to 40nm were contacted and characterized. In addition, a field effect was measured by using the second STM tip as a gate electrode. The Si(111)-7x7 surface was used for the lateral transport measurements. In order to avoid damaging the STM tips and the 7x7-surface, the distance-dependent 2-point measurements were performed in tunneling contact. The results were compared with a 2-point model for 3D and 2D charge transport. This comparison showed better correlation with the results for the 2D model than for the 3D model.