Ανάπτυξη και μελέτη λεπτών υμενίων οργανικών ημιαγωγών και υβριδικών υλικών για εφαρμογή σε οργανικές ηλεκτρονικές διατάξεις

Abstract

In this research thesis, the properties of thin films of inorganic and hybrid barrier materials, of electron donor and electron materials and their blends were studied and evaluated. The optical properties, the growth mechanism, the glass transition temperatures of the hybrid polymers and the morphology of the donor:acceptor blends were studied by Spectroscopic Ellipsometry. The study of the surface nanotopography was performed by atomic force microscopy. The evaluation of the surface free energy was studied by a contact angle meter. Finally, the barrier properties were evaluated by the calcium test and the MOCON device for the water and oxygen permeability respectively. In the case of the inorganic barrier in-situ and real time SE were applied for the study of their growth mechanism onto different flexible substrates. Their barrier properties were also measured and compared with the theoretical ones in order to evaluate the quality of the barrier films and to investigate the factors affecting the barrier response. Concerning the hybrid barrier films the effect of the chemical composition, the addition of nanoparticles and the growth conditions on the optical and barrier properties were studied. Afterwards, thin films of organic semiconductors were developed to be used as electron donors and electron acceptor and their properties were studied in order to select the most promising materials for organic photovoltaics. In the last section of the thesis, the factors that affect the optical response and the morphology of the donor:acceptor blends were studied. In order to achieve this study the suitable ellipsometric model for the study of the optical properties and the vertical phase separation of the blend constituents was developed. The results can be correlated with the efficiency of the organic photovoltaic, since this depending strongly on the blend morphology and the optical response.

Στην παρούσα διατριβή αναπτύχθηκαν και μελετήθηκαν οι ιδιότητες λεπτών υμενίων ανόργανων και υβριδικών υλικών φραγμού, δοτών και δεκτών ηλεκτρόνιων και μιγμάτων αυτών. Οι οπτικές τους ιδιότητες, ο μηχανισμός ανάπτυξης τους, και η νανομορφολογία των μιγμάτων δότη:δεκτη μελετήθηκαν με την τεχνική της Φασματοσκοπικής Ελλειψομετρίας. Η μελέτη των επιφανειακών χαρακτηριστικών πραγματοποιήθηκε με τις τεχνικές της μικροσκοπίας ατομικών δυνάμεων και της μέτρησης της γωνίας επαφής και της ελεύθερης επιφανειακής ενέργειας, ενώ οι μετρήσεις της διαπερατότητας του νερού πραγματοποιήθηκαν με το τεστ ασβεστίου και οι μετρήσεις διαπερατότητας του οξυγόνου πραγματοποιήθηκαν με τη συσκευή MOCON. Ο σκοπός της παρούσας διατριβής περιλαμβάνει την ανάπτυξη ανόργανων υμενίων φραγμού και η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την in-situ και real-time παρακολούθηση του πάχους τους και του μηχανισμού ανάπτυξης τους σε διαφορετικά εύκαμπτα υποστρώματα. Επίσης μελετήθηκαν οι ιδιότητες φραγμού (μετρούμενες και θεωρητικά υπολογιζόμενες) και ο προσδιορισμός των παραμέτρων που επιδρούν σε αυτές. Τελικός στόχος είναι η ανεύρεση των βέλτιστων υλικών για να χρησιμοποιηθούν ως ανόργανα υμένια φραγμού. Στη συνέχεια αναπτύχθηκαν υμένια υβριδικών υλικών φραγμού και μελετήθηκαν οι οπτικές ιδιότητες και οι ιδιότητες φραγμού τους. Στόχος ήταν η ανεύρεση των βέλτιστων υλικών για να χρησιμοποιηθούν ως υβριδικά υμένια φραγμού σε συνδυασμό με ανόργανα υμένια φραγμού. Επίσης αναπτύχθηκαν λεπτά υμένια οργανικών ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται ως δότες και δέκτες ηλεκτρονίων. Σκοπός ήταν η αποτίμηση των ιδιοτήτων τους και ο συσχετισμός τους προκειμένου να επιλεγούν τα βέλτιστα υλικά για τη χρήση τους σε οργανικά φωτοβολταϊκά. Στο τελευταίο κομμάτι της διατριβής, μελετήθηκαν και προσδιορίστηκαν οι παράγοντες που επιδρούν στην οπτική απόκριση και στη νανομορφολογία μιγμάτων δότη:δέκτη ηλεκτρονίων. Προκειμένου να επιτευχθεί αυτή η μελέτη αναπτύχθηκε το κατάλληλο ελειψομετρικό μοντέλο για τη μελέτη των οπτικών ιδιοτήτων και της μορφολογίας και πιο συγκεκριμένα για τον προσδιορισμό της κατανομής του δότη και του δέκτη στην κάθετη διεύθυνση του φωτοενεργού μίγματος. Σκοπός ήταν ο προσδιορισμός των παραμέτρων που επιδρούν στην οπτική απόκριση και στη μορφολογία του μίγματος και η επιλογή των κατάλληλων μιγμάτων και συνθηκών για την ανάπτυξη οργανικών φωτοβολταϊκών με υψηλή απόδοση.