dc.contributor.author
Schaefer, Sebastian
dc.date.accessioned
2018-06-07T18:59:42Z
dc.date.available
2010-12-07T12:50:28.079Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/5616
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-9815
dc.description
1 Theoretical Background 11 1.1 Charge Transport in Organic Materials . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.1.1 Space Charge Limited Currents
(SCLC) . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.1.2 SCLC in the Presence of Defect
States . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 1.2 Metal-Semiconductor Contacts .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.1 Schottky Contact . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.2 Fermi-Level
Pinning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 1.3 Electron
Spin Resonance (ESR) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 1.4
Electrically Detected Magnetic Resonance (EDMR) . . . . . . . . . . . . . . 18
1.4.1 EDMR in Organic Semiconductor Devices . . . . . . . . . . . . . . 19
1.4.2 Exchange Coupling in EDMR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.5 Pulsed Electrically Detected Magnetic Resonance . . . . . . . . . . . . .
. . 22 1.5.1 Transient EDMR Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 22 1.5.2 Rabi Oscillation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 26 2 Experimental Background 33 2.1 Organic Materials . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1.1 Fullerene C60 . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 2.1.2 Phthalocyanine .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 2.2 EPR in ZnPc . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 2.2.1 ZnPc
Radical Cation g-Value determined by EPR . . . . . . . . . . . 39 2.3 Device
Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
2.3.1 Coplanar Au/ZnPc/Au Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
2.3.2 Sandwich Devices for EDMR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
2.3.3 Sandwich Devices for IV-Characteristics . . . . . . . . . . . . . . . 44
2.4 Experimental Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 45 2.4.1 IV-Glovebox-Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 45 2.4.2 EDMR Setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . 45 3 Charge Transport in Phthalocyanine Devices 47 3.1 Bulk
Transport in Au/ZnPc/Au Coplanar Devices . . . . . . . . . . . . . . . 47
3.1.1 IV-Temperature Dependency . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
3.2 ITO/ZnPc/AL Schottky-Solar Cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 50 3.2.1 IV-Characteristics (injection vs bulk properties) . . . . . . . .
. . . . 50 3.2.2 Degradation of the Al Contact Interface . . . . . . . . . . .
. . . . . 56 3.2.3 Encapsulation Revisited . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 60 3.2.4 Discussion and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 62 4 Spin Dependent Transport in ZnPc 65 4.1 Bulk Transport vs.
Injection Limited Transport . . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.1.1 EDMR in
Coplanar Au/ZnPc/Au Devices . . . . . . . . . . . . . . . 65 4.1.2 EDMR in
ITO/ZnPc/Al Sandwich Devices . . . . . . . . . . . . . . 67 4.2 EDMR Signal
Saturation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70 4.3 EDMR
at Different Voltages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 The Role of Exchange Coupling in ZnPc . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 72 4.4.1 Discussion of The Lineshapes . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . 73 4.4.2 Lock-In Phase Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 75 4.5 Magnetoresistance in ZnPc . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . 78 5 Spin Dynamics in ZnPc 83 5.1 Pulsed EDMR in ZnPc Layers .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83 5.2 The Phenomenon of Spin-
Locking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86 5.2.1 Line Shapes
Under Spin-Locking Conditions . . . . . . . . . . . . . 89 5.2.2 Beat
Oscillations at different MW-Powers . . . . . . . . . . . . . . . 89 5.3
Pulsed EDMR in Au/ZnPc/Au Coplanar Devices . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3.1 Decoherence in Au/ZnPc/Au devices . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.4 Discussion and Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . 94 6 Spin-Dependent Transport in ZnPc/C60 Solar Cells 95 6.1 IV-
Characteristics of Solar1new . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
95 6.2 Spin Dependent Processes in Bilayer Cells . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 98 6.2.1 Continuous Wave EDMR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . 98 6.2.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . 99 6.2.3 Pulsed EDMR in ZnPc/C60-Solar Cells . . . . . . . . . . .
. . . . . 100 6.2.4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . 101 6.3 Signal Decomposition by Light Intensity Control . . . .
. . . . . . . . . . . 102 6.3.1 IV-Characteristic of Solar2new . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 102 6.3.2 Pulsed EDMR Results for Solar2new . . . .
. . . . . . . . . . . . . 103 6.3.3 EDMR Light Intensity Dependence . . . . .
. . . . . . . . . . . . . 106 6.4 Rabi Beat Oscillations . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . 108 6.5 Rabi Beat Oscillations of the
Quenching Signal . . . . . . . . . . . . . . . . 112 7 Summary and Outlook 115
dc.description.abstract
By bringing together a systematic IV-characterization and EDMR experiments,
transport and degradation processes were studied in organic devices. In a
first step, two Zinc phthalocyanine (ZnPc) single layer devices with different
electrodes were investigated, a coplanar Au/ZnPc/Au sample and a sandwich type
ITO/ZnPc/Al device. They served as a testbed for the correlation of IV- and
EDMR measurements. The insights gained in this study were then applied to more
complex bilayer ZnPc/C60-heterojunction solar cells. A transport study at low
voltages shows that bulk transport with Ohmic IV characteristics is dominant
in the coplanar ZnPc, whereas the transport in the sandwich device is
controled by a Schottky barrier at the aluminum contact. Both samples show
SCL-currents with exponential trap distribution in the high voltage limit,
characteristic for ZnPc. The degradation analysis indicate that the
ITO/ZnPc/Al - device suffers from oxidation of the aluminum electrode,
exhibiting a pronounced Schottky emission IV-behavior. This degradation could
be prevented by an effective encapsulation, using a glass cover and UV-glue.
The results of the solar cells also indicate an oxygen-induced degradation.
This degradation is related to an increase of the resistivity in the C60
layer, due to oxygen impurities. The EDMR measurements indicate that polaron
recombination is the dominant process in the organic devices investigated in
this work. However the recombination process shows distinct impact on the
electric transport in the individual devices. Whereas the EDMR signal is
photocurrent quenching in the coplanar sample it reverses sign in the sandwich
device. The results of the transport measurements indicate a charge
accumulation at the oxidized ZnPc/Al contact. As a consequence a model was
proposed in which recombination involving these accumulated carriers can lead
to a current enhancement. This model was verified by voltage dependent EDMR
measurements, where it consistently explains a sign reversal when changing
from negative to positive bias. In degraded solar cells a similar charge
accumulation as in the ZnPc-layer is suspected. This charge accumulation
manifests itself in an EDMR signal with identical properties to the one in
ZnPc and is assumed to happen at the ZnPc/C60- interface, during degradation.
Furthermore, EDMR studies indicate that spin-dependent recombination happens
during the exciton dissociation process at the ZnPc/C60 - interface, in the
charged transfer complex (ZnPc+, C60-). This process is observed to quench the
photocurrent in the solar cells. In further spin studies Rabi beat
oscillations under spin-locking conditions were observed for the first time in
the EDMR of ZnPc and solar cells. This phenomenon exhibits a signal
oscillation at twice the Rabi-frequency that appears only when two pair spins
are excited at the same time. The impact of this beat oscillation on EDMR
lineshapes as well as its microwave power dependence were studied in detail.
The effect of exchange coupling in the spin-pair was analyzed in the context
of the beat oscillations and a lock in phase analysis.
de
dc.description.abstract
In einer gemeinsamen IV-Kennlinien- und EDMR-Analyse wurden elektrische
Transport- und Degradationseigenschaften in organischen Halbleiter-
Bauelementen untersucht. Zunächst wurden Zink-
Phthalocyanin(ZnPc)-Einzelschichten mit verschieden Kontakten hergestellt. In
einer Probe wurden koplanare Goldkontakte benutzt (Au/ZnPc/Au), während die
andere eine Vertikalstruktur aus ITO/ZnPc/Al aufweist. Der Einfluss dieser
Kontakte auf den elektrischen Transport wurde dazu genutzt, die Ergebnisse der
EDMR in den Transportmechanismus richtig einzuordnen und zu interpretieren.
Mithilfe der aus den Einzelschicht-Bauelementen gewonnenen Erkenntnisse wurden
in einem zweiten Schritt komplexere ZnPc/C60 Zweischicht-Solarzellen
untersucht. Die Transport-Analyse ergab bei niedrigen Spannungen Ohmsche
Kennlinien fur die Probe mit koplanaren Kontakten, während in der
Vertikalstruktur der Strom durch eine Schottky-Barriere am Aluminium-Kontakt
begrenzt ist. Bei hohen Spannungen dagegen zeigen beide Proben
raumladungsbegrenzten Transport unter Einwirkung von exponentiell in der
Bandlücke verteilten Defekt-Zuständen. Die Degradations-Studien an der
ITO/ZnPc/Al Probe zeigen eine Oxidation der Aluminium-Elektrode. Dies drückt
sich unter anderem in einer Kennlinie aus, die auf Schottky-Emission hinweist,
ein Transport Prozess, der häufig in Metall-Isolator-Halbleiter-Übergängen
auftritt. Dieser Degradationsprozess lässt sich durch eine effektive
Verkapselung mit einem Glass-Plättchen und UV-Kleber verhindern. Die
Ergebnisse der IV-Kennlinien-Analyse der Solarzellen weisen ebenfalls auf eine
Sauerstoff-bedingte Degradation hin, bei der der Widerstand der
Fullerenschicht durch Sauerstoff-induzierte Defektzustände in der Bandlücke
stark ansteigt. Aus den EDMR Messungen geht hervor, dass wahrscheinlich
Polaronen-Rekombination für die Signale in den oben genannten organischen
Materialien verantwortlich ist. Diese wirkt sich jedoch verschiedenartig auf
den Strom der einzelnen Proben aus. Als Folge wird ein ein negatives EDMR-
Signal in der Au/ZnPc/Au Probe und ein positives in der Vertikalstruktur
gemessen. Die Ergebnisse der Transport-Studie weisen auf eine Ladungs-
Ansammlung an der Al-Elektrode hin. Daher wurde ein Modell vorgeschlagen, bei
dem die Rekombination dieser akkumulierten Ladungsträger eine Stromerhöhung
bewirkt. Dieses Model wurde in spannungsabhängigen Messungen an der
Vertikalstruktur bestätigt, in denen es erfolgreich unterschiedliche
Vorzeichen des EDMR-Signals in Durchlass und in Sperr-Richtung erklären
konnte. Die EDMR-Messungen in den Zweischicht-Solarzellen zeigen ein ähnliches
Signal, wie in den ITO/ZnPc/Al-Proben. Es wird daher eine ähnliche Ladungs-
Akkumulation wie in der Einzelschicht-Probe erwartet, die wahrscheinlich
während der Degradation am Heteroübergang zustande kommt. Ein weiteres aber
negatives EDMR Signal lässt sich vorerst einer Rekombination innerhalb eines
Radikalpaares (ZnPc+/C60-) am Heteroübergang zuordnen. In den gepulsten EDMR-
Messungen wurden das erste mal “Beat”-Oszillationen durch nicht selektiv
angeregte Spin-Paare in organischen Materialien beobachtet. Dabei wird eine
doppelte Rabi-Frequenz gemessen, wenn beide Spins eines Paares gleichzeitig
angeregt werden. Dieses Phänomen, sowie der Einfluss von Austausch-Kopplung
auf das EDMR Signal wurden in der Arbeit ausgiebig untersucht.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
charge transport
dc.subject
organic electronics
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik
dc.title
Spin-dependent processes in organic devices
dc.contributor.contact
sebschae@uni-potsdam.de
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. R. Bittl
dc.contributor.furtherReferee
Dr. M. Ch. Lux-Steiner, Dr. W. Harneit
dc.date.accepted
2010-06-02
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000019919-4
dc.title.translated
Spinabhängige Prozesse in organischen Halbleiter-Bauelementen
de
refubium.affiliation
Physik
de
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FUDISS_thesis_000000019919
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open access