Transition Metal Oxides in Organic Light Emitting Diodes

Organische Leuchtdioden (engl. organic light emitting diode, OLED) besitzen spezielle Eigenschaften, die sie für den Einsatz in Displayanwendungen und Raumbeleuchtung prädestinieren. Sie können in extrem ?acher Bauweise ausgeführt werden und besitzen eine weite Abstrahlcharakteristik. Vor allem die Perspektive auf eine kostengünstige Massenproduktion für groß?ächige Anwendungen treibt die Entwicklung der OLEDs massiv an. Entsprechend konnten in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte bezüglich E?zienz und Lebensdauer der organischen Leuchtdioden erzielt werden. Eine Aussicht auf eine positive Weiterentwicklung stellt der Einsatz von inorganischen Schichten aus Übergangsmetalloxiden (engl. transition metal oxide, TMO) dar wegen ihrer hohen thermischen Stabilität und technologischen Kompatibilität zu organischen Schichten. Erste Resultate deuten auf einen vielseitigen Einsatz der TMOs als funktionelle Schichten wie auch elektrochemische Dotanden von organischen Halbleitern hin. Gleichzeitig fehlen jedoch Kenntnisse über deren elektronische Eigenschaften sowie die genaue Wirkungsweise innerhalb organischer Leuchtdioden. Im Zusammenhang damit wird deutlich, dass trotz der technologischen Fortschritte bei OLEDs, grundlegende Fragestellungen wie der Mechanismus der elektrochemischen Dotierung organischer Halbleiter oder der Mechanismus von ladungserzeugenden Zwischenschichten (engl. charge generation layer, CGL) in gestapelten OLEDs bisher nicht vollständig geklärt worden sind. Deshalb werden in dieser Arbeit die physikalischen und technologischen Zusammenhänge beim Einsatz von Übergangsmetalloxiden in OLEDs im Fokus stehen. Mittels Photoelektronenspektroskopie und Kelvinsondenmessungen wird zunächst die elektronische Struktur ausgewählter TMOs wie Molybdänoxid (MoO3) und Wolframoxid (WO3) näher analysiert. Es zeigt sich, dass es sich hierbei um intrinsisch n-dotierte Halbleiter handelt, die im Vergleich zu organischen Halbleitern sehr tief liegende Energieniveaus für Löcher- und Elektronentransport besitzen.Basierend auf der Betrachtung der Grenz?ächen zwischen TMOs und benachbarter Schichten wird ein neuartiges Modell zur Erklärung der e?zienten Löcherinjektion durch den Einsatz dünner TMO Schichten aufgestellt. Die elektrochemische Dotierung stellt einen wichtigen Ansatz zur Erhöhung der E?zienzen von OLEDs dar. Deshalb wird die Eignung von MoO3 und Cs2CO3 (Cäsiumcarbonat) als p-und n-Dotanden von organischen Halbleitern mit großer Bandlücke untersucht. Vor allemdie Bestimmung der dotierkonzentrationsabhängigen Ladungsträgerdichte steht im Vordergrund. Hierzu werden Methoden eingesetzt, wie sie aus der Welt der anorganischen Halbleiter bekannt sind, und miteinander verglichen. Neben Kapazitäts-Spannungs-Messungen an Metall-Isolator-Halbleiter Strukturen wird die direkte Ermittlung der Raumladungszone in dotierten Schichten bei Angrenzung an metallischen Elektroden untersucht. Ein annähernd linearer Anstieg der Ladungsträgerdichte mit der Dotierkonzentration wird als generelles Resultat nachgewiesen. Gleichzeitig ergeben sich unerwartet niedrige Dotiere?zienzen von durchschnittlich weniger als fünf Prozent für MoO3. Das vertikale Stapeln organischer Leuchtdioden übereinander kann zur Erhöhung der Lebensdauer der Bauteile beitragen. Hierfür wird das physikalische Verständnis der ladungserzeugenden Zwischenschichten erarbeitet. Neben der Angrenzung zweier komplementär dotierter Bereiche ein- und desselben ambipolaren organischen Halbleiters aneinander, wird vor allem der Einsatz von TMOs in diesen CGLs untersucht. Der Mechanismus der Ladungsträgerseparation wird mit der Ausbildung einer Raumladungszone in Verbindung gebracht. Außerdem zeigt sich, dass jeweils zwischen dem TMO und der angrenzenden lochtransportierenden Schicht die Ladungsträgergeneration statt?ndet. Aus den gewonnenen Erkenntnissen im Laufe der Arbeit wird schließlich die erste organische p-i-n Homodiode verwirklicht, die als violette Leuchtdiode und ultraviolette Photodiode betrieben werden kann.