Polymorphism in organic semiconductor thin films: a nanoscale investigation of thermal and interfacial effects

Resum

Aquesta tesi presenta un treball experimental que proporciona informació sobre els efectes de la temperatura, la interfície i el gruix de la pel·lícula en el polimorfisme de pel·lícules primes de semiconductors orgànics a escala nanomètrica, utilitzant una combinació de tècniques avançades de caracterització. Les mostres de pel·lícules primes de semiconductors orgànics es van preparar utilitzant la deposició de feixos moleculars orgànics (OMBD). Aquesta tesi conté tres estudis principals. En el primer estudi, vam examinar com la temperatura del substrat durant el recuit i la deposició de la pel·lícula afecta l'estructura de les pel·lícules primes de C8O-BTBT-OC8. Usant una combinació d'AFM i GIWAXS, vam identificar una transformació estructural induïda per la temperatura en un nou polimorf (fase d'alta temperatura) que implica una configuració inclinada de les molècules. Es va demostrar que, després de refredar a temperatura ambient, les dues estructures distintes poden coexistir a la interfície entre la pel·lícula prima orgànica i el diòxid de silici. En el nostre segon estudi, vam emprar tècniques d'AFM, KPFM, GIWAX i UPS per investigar el polimorfisme en pel·lícules primes de Ph-BTBT-10. A causa de la seva distribució de càrrega asimètrica en la molècula, aquest derivat de BTBT té un dipol elèctric dipolar. Les nostres troballes revelen un paper important de les interaccions electrostàtiques dipolars entre molècules, que condueixen a un alt nivell de complexitat estructural. Durant el creixement, l'estructura d'apilament molecular evoluciona des d'una configuració inicial de bicapa a la interfície (gruix de 5 nm) fins a un apilament laminar de capes polars (és a dir, amb un dipol elèctric net) que finalment es transforma en la fase de pel·lícula prima no polar reportada, a causa d'un augment en el percentatge de molècules invertides en l'apilament (per a gruixos superiors a 20 nm). Aquest treball també destaca la importància de KPFM en l'estudi de polimorfs polars a escala nanomètrica. En el nostre tercer estudi, vam realitzar experiments de recuit tèrmic in situ combinant KPFM i GIWAXS per investigar l'impacte de la interfície i el gruix en la transició estructural de les pel·lícules primes de Ph-BTBT-10 i l'estabilitat dels polimorfs cristal·lins formats. Els nostres resultats demostren que una reducció en el gruix de la pel·lícula millora l'estabilitat de la fase massiva, com ho indica una temperatura crítica més baixa per a la transició estructural d'un apilament laminar de capa única a l'estructura de bicapa. Aquesta observació contrasta amb les troballes per a altres pel·lícules de semiconductors orgànics i s'explica per la estabilització de la bicapa a la interfície del substrat. La mobilitat dels portadors és un indicador clau del rendiment per als OFETs. Atès que la pel·lícula prima orgànica serveix com la capa activa dels OFETs, comprendre i controlar el polimorfisme i l'estructura de les pel·lícules primes a escala nanomètrica és crucial per millorar el rendiment del dispositiu. El nostre estudi revela com les condicions tèrmiques, les interfícies i el gruix influeixen en l'apilament molecular, oferint idees per millorar el rendiment i la reproductibilitat dels OFETs.

Data del Ajut	18 d’oct. 2024
Idioma original	Anglès
Supervisor	Esther Barrena Villas (Director/a)