Electrical scanning probe microscopy on organic optoelectronic structures

In the field of organic optoelectronics, the nanoscale structure of the materials has huge im-pact on the device performance. Here, scanning force microscopy (SFM) techniques become increasingly important. In addition to topographic information, various surface properties can be recorded on a nanometer length scale, such as electrical conductivity (conductive scanning force microscopy, C-SFM) and surface potential (Kelvin probe force microscopy, KPFM).rnrnIn the context of this work, the electrical SFM modes were applied to study the interplay be-tween morphology and electrical properties in hybrid optoelectronic structures, developed in the group of Prof. J. Gutmann (MPI-P Mainz). In particular, I investigated the working prin-ciple of a novel integrated electron blocking layer system. A structure of electrically conduct-ing pathways along crystalline TiO2 particles in an insulating matrix of a polymer derived ceramic was found and insulating defect structures could be identified. In order to get insights into the internal structure of a device I investigated a working hybrid solar cell by preparing a cross cut with focused ion beam polishing. With C-SFM, the functional layers could be identified and the charge transport properties of the novel active layer composite material could be studied. rnrnIn C-SFM, soft surfaces can be permanently damaged by (i) tip induced forces, (ii) high elec-tric fields and (iii) high current densities close to the SFM-tip. Thus, an alternative operation based on torsion mode topography imaging in combination with current mapping was intro-duced. In torsion mode, the SFM-tip vibrates laterally and in close proximity to the sample surface. Thus, an electrical contact between tip and sample can be established. In a series of reference experiments on standard surfaces, the working mechanism of scanning conductive torsion mode microscopy (SCTMM) was investigated. Moreover, I studied samples covered with free standing semiconducting polymer nano-pillars that were developed in the group of Dr. P. Theato (University Mainz). The application of SCTMM allowed non-destructive imag-ing of the flexible surface at high resolution while measuring the conductance on individual pillarsrnrnIn order to study light induced electrical effects on the level of single nanostructures, a new SFM setup was built. It is equipped with a laser sample illumination and placed in inert at-mosphere. With this photoelectric SFM, I investigated the light induced response in function-alized nanorods that were developed in the group of Prof. R. Zentel (University Mainz). A block-copolymer containing an anchor block and dye moiety and a semiconducting conju-gated polymer moiety was synthesized and covalently bound to ZnO nanorods. This system forms an electron donor/acceptor interface and can thus be seen as a model system of a solar cell on the nanoscale. With a KPFM study on the illuminated samples, the light induced charge separation between the nanorod and the polymeric corona could not only be visualized, but also quantified.rnrnThe results demonstrate that electrical scanning force microscopy can study fundamental processes in nanostructures and give invaluable feedback to the synthetic chemists for the optimization of functional nanomaterials.rn

Im Bereich der organischen Optoelektronik hat die mikro- und nanoskopische Struktur der Materialien einen großen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit der Bauteile. In diesem Bereich gewinnen rasterkraftmikroskopische Methoden (SFM) immer mehr an Bedeutung. Neben topographischer Information können zahlreiche andere Oberflächeneigenschaften wie elektri-sche Leitfähigkeit (Leifähigkeits-Rasterkraftmikroskopie, C-SFM) oder Oberflächenpotentiale (Kelvinsondenmikroskopie, KPFM) mit Auflösungen im Bereich von Nanometern gemessen werden.rnrnIm Rahmen dieser Arbeit wurden die SFM basierten elektrischen Betriebsmodi verwendet um den Zusammenhang zwischen Morphologie und den elektrischen Eigenschaften in optoelekt-ronischen Hybridstrukturen zu erforschen. Diese Strukturen wurden in der Gruppe von Prof. J. Gutmann (MPI-P Mainz) entwickelt. Konkret wurde ein neuartiges Nanokomposit für eine integrierte Elektronen-Barriereschicht untersucht. Eine Struktur von elektrisch leitfähigen Pfaden entlang kristalliner TiO2-Partikeln in einer isolierenden Schicht aus einer Keramik wurde gefunden. Darüber hinaus konnten Defektstrukturen identifiziert werden. Um die interne Struktur einer funtionsfähigen Hybridsolarzelle zu untersuchen, wurde eine Bruchkante mit einem fokussierten Ionenstrahl poliert. Mittels C-SFM konnten die funktionalen Schichten identifiziert und die Transporteigenschaften des neuartigen Kompositmaterials in der aktiven Schicht untersucht werden.rnrnDurch den Einsatz von C-SFM können weiche Oberflächen dauerhaft zerstört werden: (i) durch Kräfte, die die Spitze ausübt, (ii) hohe elektrische Felder und (iii) hohe Stromdichten im Bereich der Spitze. Aus diesem Grund wurde ein alternativer Betriebsmodus basierend auf dem Torsion Mode in Kombination mit lokalen Leitfähigkeitsmessungen eingeführt. Im Tor-sion Mode vibriert die Spitze lateral und befindet sich dabei sehr nahe an der Oberfläche. Auf diese Weise kann ein elektrischer Kontakt zwischen Spitze und Probe hergestellt werden. In einer Reihe von Referenzexperimenten auf Standardoberflächen wurden grundlegende Aspekte der Leitfähigkeits-Torsionsmikroskopie (SCTMM) untersucht. Darüber hinaus wurden Proben mit Feldern aus freistehenden Nanosäulen aus einem halbleitenden Polymer untersucht, die in der Gruppe von Dr. P. Theato (Universität Mainz) entwickelt wurden. Mittels SCTMM konnten die Strukturen zerstörungsfrei und hochauflösend abgebildet und die Leitfähigkeit von individuellen Nanosäulen gemessen werden.rnrnZur Untersuchung lichtinduzierter Effekte in Nanostrukturen wurde ein neuer Kraftmikros-kop-Aufbau mit einer Laser-Probenbeleuchtung konstruiert. Mit diesem Photoelektrischen SFM wurde die Reaktion funktionalisierter Nanostäbchen auf Beleuchtung untersucht. Dazu wurde in der Gruppe von Prof. R. Zentel (Universität Mainz) ein neuartiges Blockcopolymer mit einem Anker- und Farbstoffblock und einem halbleitenden Polymerblock synthetisiert und kovalent an ZnO Nanostäbchen gebunden. Dieses System stellt ein Elektronen Do-nor/Akzeptorsystem dar und kann daher als ein Modell für eine Solarzelle auf der Nanoebene angesehen werden. Mittels KPFM auf beleuchteten Proben konnte die lichtinduzierte La-dungstrennung zwischen Stab und Polymer nicht nur visualisiert, sondern auch quantifiziert werden.rnrnDie Ergebnisse zeigen, dass mittels elektrischer Rasterkraftmikroskopie fundamentale Prozes-se in optoelektronischen Nanostukturen untersucht werden können. Diese Erkenntnisse liefern wertvolle Informationen an die synthetischen Chemiker, die ihre Materialien nach diesen As-pekten weiter optimieren können.rn