DE102008006374B4

DE102008006374B4 - Elektrisches organisches Bauelement und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102008006374B4
Application number: DE102008006374.6A
Authority: DE
Inventors: Dr. Schmid Günter; Dr. Pätzold Ralph; Hendrik Lüdtke
Original assignee: Osram Oled GmbH
Current assignee: Pictiva Displays International Ltd
Priority date: 2007-09-27
Filing date: 2008-01-28
Publication date: 2018-12-06
Anticipated expiration: 2028-01-29
Also published as: DE102008006374A1

Abstract

Elektrisches organisches Bauelement, umfassend- ein Substrat (1)- eine erste Elektrodenschicht (2), die auf dem Substrat (1) angeordnet ist, und eine zweite Elektrodenschicht (5), die auf wenigstens einer funktionellen organischen Schicht (3) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrodenschicht (5) eine Kathodenschicht ist,- wobei die wenigstens eine funktionelle organische Schicht (3) zwischen der ersten (2) und der zweiten Elektrodenschicht (5) angeordnet ist und zur Strahlungsemission eingerichtet ist,- eine selbst organisierende Monolagenschicht (4), die zwischen der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht (3) und der zweiten Elektrodenschicht (5) angeordnet ist,- wobei die selbst organisierende Monolagenschicht (4) Moleküle aufweist, die eine Kopfgruppe und eine Ankergruppe umfassen, die über ein Molekülrückgrat miteinander verbunden sind, und- die Kopfgruppen kovalent oder über eine Salzbrücke mit der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht (3) verknüpft sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches organisches Bauelement.
Bei verschiedenen elektrischen organischen Bauelementen mit einer funktionellen organischen Schicht hängen die Effizienz und die Lebensdauer des Bauelements stark von der Ladungsträgerdichte in der organischen Funktionsschicht ab.
In der Druckschrift WO 2006/116584 A2 werden Licht emittierende Polymer-Bauelemente beschrieben, die selbstorganisierte Monoschicht-Strukturen verwenden.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrisches organisches Bauelement mit verbesserten elektrischen Eigenschaften bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch ein elektrisches organisches Bauelement gemäß Anspruch 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen des elektrischen organischen Bauelements und ein Verfahren zu dessen Herstellung sind Gegenstand weiterer Ansprüche.
In einem elektrischen organischen Bauelement gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung umfassen die Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht eine Kopfgruppe und eine Ankergruppe, die über ein Molekülrückgrat miteinander verbunden sind, wobei die Kopfgruppen kovalent oder über eine Salzbrücke mit einer funktionellen organischen Schicht von gegebenenfalls mehreren weiteren funktionellen organischen Schichten verknüpft sind. Ein solches elektrisches organisches Bauelement umfasst ein Substrat, eine erste Elektrodenschicht und eine zweite Elektrodenschicht, wenigstens eine funktionelle organische Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, und eine selbst organisierende Monolagenschicht, die zwischen der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist.
Eine selbst organisierende Monolagenschicht (self-assembling monolayer, SAM) ist eine dünne (0,5 bis 5 Nanometer) Monolagenschicht mit einer hohen inneren Ordnung, die sich beim Eintauchen von oberflächenaktiven oder organischen Substanzen in eine Lösung beziehungsweise Suspension oder durch Abscheiden aus der Gasphase in Reinform oder in einem Trägergas verdünnter Form bei vermindertem Druck und erhöhter Temperatur (beispielsweise kleiner 250 °C) spontan auf der Oberfläche dieser Substanzen bildet. Die selbst organisierende Monolagenschicht erhöht dabei die Stabilität der Schicht, auf der sie abgeschieden wurde.
Durch diese verbesserte Verknüpfung zwischen den Molekülen der selbst organisierenden Monolagenschicht und der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht kann die selbst organisierende Monolagenschicht eine dichtere und stabilere Schicht in dem elektrischen organischen Bauelement und damit eine verbesserte Funktionalität der selbst organisierenden Monolagenschicht in dem Bauelement bereitstellen. Je nach Verwendungszweck des elektrischen organischen Bauelements wird dadurch die Funktionalität des Bauteils durch einen verbesserten Ladungstransport zwischen der selbst organisierenden Monolagenschicht und einer funktionellen organischen Schicht oder durch verbesserte dielektrische Eigenschaften erhöht.
Die über eine kovalente Bindung oder eine Salzbrücke erfolgende Verknüpfung der Kopfgruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht mit der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht bewirkt eine sehr stabile Bindung der selbst organisierenden Monolagenschicht an die wenigstens eine funktionelle organische Schicht. Das elektrische organische Bauelement besitzt somit eine erhöhte Stabilität und Lebensdauer. Die selbst organisierende Monolagenschicht kann somit je nach Beschaffenheit des Molekülrückgrats und damit dem Verwendungszweck des Bauelements effizienter den Ladungsträgertransport von der Elektrodenschicht zu der funktionellen organischen Schicht oder umgekehrt fördern oder infolge ihres hoch geordneten Charakters die dielektrischen Eigenschaften des Bauelements fördern.
Dies führt zu einer verbesserten Effizienz und Lebensdauer des Bauelements.
Ein „Substrat“, wie es hierin verwendet wird, kann zum Beispiel ein Substrat, wie es im Stand der Technik herkömmlich für ein elektrisches organisches Bauelement verwendet wird, umfassen. Das Substrat kann beispielsweise ein Glassubstrat sein. In einem solchen Bauelement wird die erste Elektrodenschicht auf dem Substrat abgeschieden.
Der Ausdruck „wenigstens eine funktionelle organische Schicht“ bedeutet, dass in dem elektrischen organischen Bauelement mindestens eine funktionelle organische Schicht vorhanden ist, die eine elektrische Funktion in dem elektrischen organischen Bauelement ausübt und mit der selbst organisierenden Monolagenschicht kovalent oder über eine Salzbrücke über die Kopfgruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht verbunden ist. Solche funktionellen organischen Schichten können beispielsweise je nach Bauelement eine Elektronentransportschicht, eine Lochinjektionsschicht, eine lichtemittierende Schicht, eine Source-Drain-Kontaktschicht, eine aktive Halbleiterschicht, und so weiter sein, sie sind jedoch nicht auf diese beschränkt.
Der Begriff „wenigstens eine funktionelle organische Schicht“ schließt zudem ein, dass das elektrische organische Bauelement weitere funktionelle organische Schichten aufweisen kann, die zumindest zwischen der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht, die mit der selbst organisierenden Monolagenschicht verknüpft ist, und der ersten Elektrodenschicht in dem elektrischen organischen Bauelement angeordnet sind.
Der Ausdruck „selbst organisierende Monolagenschicht“ meint, dass die auf einer Oberfläche abgeschiedenen organischen Moleküle unmittelbar nach ihrem Anheften auf der Oberfläche ohne äußere Einwirkung eine hoch geordnete Monolage ausbilden, in der die einzelnen Molekülketten über intermolekulare Wechselwirkungen, wie beispielsweise Van-der-Waals-Kräfte, elektrostatische Anziehung, n-n-Wechselwirkungen, Dipol-Dipol-Wechselwirkungen, Wasserstoffbrückenbindungen untereinander zusammenhalten und sich in geordneter Weise relativ zueinander ausrichten, wobei die geordnete Monolagenschicht ausgebildet wird. Die selbst organisierende Monolagenschicht weist in ihren Kopfgruppen mindestens eine funktionelle Gruppe auf, die spezifisch mit wenigstens einer funktionellen Gruppe in der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht wechselwirkt. Die Ankergruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht weisen in ähnlicher Weise wenigstens eine funktionelle Gruppe auf, die mit wenigstens einer funktionellen Gruppe in der zweiten Elektrodenschicht spezifisch wechselwirkt. Beim Abscheiden der selbst organisierenden Monolagenschicht auf der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht orientieren sich die Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht aufgrund der Spezifität der funktionellen Gruppen in den Kopfgruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht und der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht zu der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht hin, so dass eine spezifische Bindung zwischen der selbst organisierenden Monolagenschicht und der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht ausgebildet werden kann.
Der Begriff „Kopfgruppe“, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet die Gruppe, über die die Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht mit der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht verknüpft werden sollen. Die Kopfgruppe ist eine Gruppe, die mindestens eine funktionelle Gruppe umfasst, die einen spezifischen Bindungspartner für eine funktionelle Gruppe in der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht darstellt. Sie besitzt damit eine hohe Bindungsaffinität zu den Molekülen der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht. Der Ausdruck „hohe Bindungsaffinität“ meint hierbei, dass die Bindungsaffinität der Kopfgruppen zu der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht erheblich höher ist, als deren Bindungsaffinität zu der zweiten Elektrodenschicht, sodass sich beim Erzeugen der selbst organisierenden Monolagenschicht die Kopfgruppen bevorzugt der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht zuwenden und aufgrund der Spezifität der beiden funktionellen Gruppen zueinander eine feste Bindung, z.B. eine Salzbrücke oder kovalente Bindung ausbilden. Die Kopfgruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht können dabei verschiedene funktionelle Gruppen umfassen.
Der Ausdruck „Molekülrückgrat“, wie er hierin verwendet wird, meint eine Molekülkette, die die Kopf- und die Ankergruppe der Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht miteinander verbindet. Die für das Molekülrückgrat verwendeten Molekülketten können je nach Verwendungszweck des elektrischen organischen Bauelements verschiedene Eigenschaften besitzen, die zum Beispiel den Transport von Ladungen begünstigen oder als Dielektrikum wirken. Die Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht können dabei eine oder mehrere unterschiedliche Arten von Molekülketten als Molekülrückgrat aufweisen.
Der Begriff „Ankergruppe“ wie er hierin verwendet wird, bezeichnet die Gruppe, die über das Molekülrückgrat in der selbst organisierenden Monolagenschicht mit der Kopfgruppe verbunden ist und mit der zweiten Elektrodenschicht verknüpft werden soll. Die Ankergruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht umfassen wenigstens eine funktionelle Gruppe, die zu einer funktionellen Gruppe in der zweiten Elektrodenschicht spezifisch ist. Die Ankergruppen können dabei eine oder mehrere Molekülspezies umfassen.
Die Leitfähigkeit oder Nichtleitfähigkeit der selbst organisierenden Monolagenschicht ist von den verwendeten Ankergruppen unabhängig, da die Länge der Bindung zwischen der Ankergruppe und der zweiten Elektrodenschicht in der Regel nicht für eine Tunnelbarriere ausreicht. Eine Tunnelbarriere liegt gewöhnlich im Nanometer-Bereich, die Bindungslänge zwischen den Ankergruppen und der zweiten Elektrodenschicht, zum Beispiel eine Si-Bindung oder eine PO-Bindung, liegt im Angström-Bereich und beträgt beispielsweise ungefähr 2 Ä. Die Elektronen können daher mittels des Tunneleffekts ungehindert von der zweiten Elektrodenschicht über die Ankergruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht in die selbst organisierende Monolagenschicht wandern.
Der Ausdruck „kovalente Verknüpfung“ oder „kovalent verknüpft“, wie er hierin verwendet wird, meint, dass die Kopfgruppen der Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht mit einer Elektronenpaarbindung an die wenigstens eine funktionelle organische Schicht gebunden werden. Eine kovalente Bindung schließt zum Beispiel σ-Bindungen und π-Bindungen ein.
Eine „Salzbrücke“ bezeichnet hierin eine ionische Bindung oder Ionenbindung, die aus der elektrostatischen Anziehung, also der positiven Kraft der entgegengesetzt geladenen anionischen und kationischen funktionellen Gruppen der Kopfgruppe und der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht bzw. der Ankergruppe und der zweiten Elektrodenschicht aufeinander, resultiert.
Ein Dielektrikum ist elektrisch isolierend und bezeichnet eine Substanz, die gegenüber dem Stromfluss einen sehr hohen Widerstand besitzt. Da sich Dielektrika bis zu sehr hohen Feldstärken hin einer Ionisierung und damit dem Auftreten einer Leitfähigkeit widersetzen, werden sie in elektrischen Bauteilen, wie zum Beispiel einem organischen Feldeffekttransistor, beispielsweise dazu eingesetzt, eine hohe Kapazität mit kleineren Bauteilen zu realisieren.
Der Begriff „Kation-π-Wechselwirkung“ bezeichnet die Wechselwirkung zwischen einer einfachen kovalenten Bindung zweier Kohlenstoffatome zu der ein weiterer Austausch von Elektronen hinzukommt, wie beispielsweise in konjugierten Systemen, und einem Kation, wie beispielsweise einem Aluminiumkation.
Eine „elektrostatische Anziehung“ meint hier die positive, anziehende Kraft zweier Moleküle und/oder Atome aufeinander, die aus der entgegen gesetzten elektrischen Ladung der beiden Teilchen resultiert. Die elektrische Ladung kann dabei eine ständige Ladung der Moleküle und/oder Atome oder eine vorübergehend induzierte Ladung sein.
Der Begriff „konjugiertes System“ oder „konjugierte Mehrfachbindungen“, wie er hierin verwendet wird, bezeichnet Atomsysteme mit kovalent über Einfach- oder Mehrfach-(zum Beispiel Doppel-, Dreifach-) Bindungen verbundenen Atomen organischer Verbindungen. In solchen Systemen sind die Elektronen der Bindungen delokalisiert, das heißt sie können keinem bestimmten Atom mehr zugeordnet werden und befinden sich in parallel zueinander ausgebildeten, gemeinsamen p-Orbitalen der benachbarten Atome des konjugierten Systems. In konjugierten Systemen erfolgt ein Ladungstransport leicht durch Ladungsverschiebung anstelle durch Atom- oder Molekülwanderung.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Kopfgruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht wenigstens eine funktionelle Gruppe, die mit wenigstens einer funktionellen Gruppe in der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht eine spezifische Bindung eingeht.
Über diese spezifische Bindung wird die selbst organisierende Monolagenschicht somit stabil mit der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht verknüpft und die Stabilität des gesamten Bauelements effizient gefördert.
In einer Weiterbildung der Erfindung sind die Ankergruppen kovalent oder über eine Salzbrücke oder über Kation-n-Wechselwirkungen oder elektrostatische Anziehung mit der zweiten Elektrodenschicht verknüpft.
Die Ausbildung der festen Bindung zwischen der selbst organisierenden Monolagenschicht und der zweiten Elektrodenschicht ist stabiler als beispielsweise die Bindung, die bei der herkömmlichen Abscheidung von Thiolalkanen oder Alkylsilanen auf Edelmetallen erreicht wird. Durch die sehr feste Bindung zwischen der selbst organisierenden Monolagenschicht und der zweiten Elektrodenschicht wird die Stabilität des Bauelements erhöht und die Lebensdauer verbessert.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfassen die Ankergruppen wenigstens eine funktionelle Gruppe, die mit wenigstens einer funktionellen Gruppe in der zweiten Elektrodenschicht eine spezifische Bindung eingeht.
Diese spezifische Bindung zwischen der selbst organisierenden Monolagenschicht und der zweiten Elektrodenschicht fördert die Stabilität des Bauelements weiter und gewährleistet so eine verbesserte Lebensdauer und Funktionalität.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Molekülrückgrat eine lineare Molekülkette.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung sind die linearen Molekülketten gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffketten, die gegebenenfalls mit einem oder mehreren Heteroatomen substituiert und/oder von diesen unterbrochen sind. Die Heteroatome können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Halogen, O, N sowie deren Kombinationen. Die Kohlenwasserstoffketten können ferner Doppel- oder Dreifachbindungen aufweisen. Daneben können die Kohlenwasserstoffketten delokalisierte Elektronen aufweisen, wodurch die Kohlenwasserstoffketten des Weiteren konjugierte Mehrfachbindungen aufweisen können.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst das Molekülrückgrat Arylgruppen, die gegebenenfalls mit einem oder mehreren Heteroatomen substituiert und/oder von diesen unterbrochen sind. Die Heteroatome können ausgewählt sein aus der Gruppe bestehend aus Halogen, O, N und deren Kombinationen. In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen elektrischen organischen Bauelements können die linearen Molekülketten gesättigte oder ungesättigte Alkylketten mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen aufweisen. Die linearen Molekülketten können ferner 1 bis 12 Kohlenstoffatome und im Speziellen 6 bis 10 Kohlenstoffatome aufweisen.
Durch die freien Elektronenpaare der Substituenten und/oder durch die Elektronen der ungesättigten C-C-Bindungen der Alkylketten sowie durch die infolge der Ladungsverschiebungen entstehenden, positiven Teilladungen wird der Ladungstransport durch die selbst organisierende Monolagenschicht von der zweiten Elektrodenschicht zu der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht oder umgekehrt weiter gefördert.
Die Kettenlänge der Moleküle des Molekülrückgrats kann dabei so gewählt werden, dass die Ketten einerseits lang genug sind, um einen effizienten Ladungstransport bereitzustellen, andererseits jedoch kurz genug sind, um keine Barriere für die durchgehende Ladung darzustellen. Auf diese Weise wird ein effizienter Ladungstransport sichergestellt und die Funktion des Bauelements gewährleistet.
Weiterhin kann das Molekülrückgrat Polyethylenglykol und/oder Polyethylendiamin umfassen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Kopfgruppe vor dem Ausbilden der Bindung mit der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht eine funktionelle Gruppe zur Bildung einer kovalenten Bindung oder einer Salzbrücke mit der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht. Diese funktionelle Gruppe kann beispielsweise eine Amin-, eine Phosphonsäure-, eine Carboxyl-, eine Sulfatgruppe sein.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst die Kopfgruppe eine Arylgruppe. Die Arylgruppe kann ferner mit einer Alkylgruppe substituiert sein, die gegebenenfalls mit einem Halogen substituiert ist. Daneben kann die Alkylgruppe eine ungesättigte Alkylgruppe umfassen. Die Alkylgruppe kann ferner mit einem oder mehreren von Halogen, S, N substituiert und/oder von diesen unterbrochen sein.
Die Kopfgruppe, die die selbst organisierende Monolagenschicht und die wenigstens eine funktionelle organische Schicht miteinander verbindet, trägt somit zu einem verbesserten Ladungstransport bei. Neben den freien Elektronenpaaren der Substituenten und der Bindungselektronen der ungesättigten Bindungen fördern die π-π-Bindungen der Arylgruppen noch weiter den Ladungstransport und tragen somit zu einer effizienten Funktion des Bauelements bei.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst die Kopfgruppe eine redoxreaktive Kopfgruppe. Die redoxreaktive Kopfgruppe kann dabei beispielsweise Ferrocen, Phthalocyaninen und/oder Porphyrin umfassen. Die Zentralatome der Phthalocyaningruppe können Cu, Co, Fe, Zn umfassen.
Die Bindung zwischen der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht und der selbst organisierenden Monolagenschicht ist eine kovalente Bindung oder eine Salzbrücke. Zur Ausbildung der Bindung steht eine reichhaltige Kopplungschemie zur Verfügung. Beispiele umfassen Standardverfahren zum Ausbau von Peptiden (-NH-CO-Bindung), Ausbildung von Phosphonat-, Sulfat- oder Carboxylatbindungen.
In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen elektrischen organischen Bauelements umfasst die Ankergruppe eine funktionelle organische Gruppe mit gegebenenfalls ungesättigten Doppelbindungen.
Die Ankergruppe kann dabei vor der Reaktion mit der zweiten Elektrodenschicht eine Formel besitzen, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
worin:

R₁, R₂ und R₃ unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Cl, Br, J, OH, O-Alkyl, wobei Alkyl Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, sec-Butyl, tert-Butyl ist, und deren verzweigten und verzweigten höheren Homologen, Benzyl und ungesättigten Alkinylgruppen, vorausgesetzt, dass wenigstens eines von R₁, R₂ und R₃ nicht H ist;
R4 ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus H, Cl, Br, J, OH, O-SiR₁R₂R₃, O-Alkyl, wobei Alkyl Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, sec-Butyl, tert-Butyl ist, sowie deren verzweigten und verzweigten höheren Homologen, Benzyl und ungesättigten Alkinylgruppen, wobei R₁, R₂ und R₃ sowie wie oben definiert sind;
R₅ und R₆ unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Cl, Br, J, OH, O-Alkyl, wobei Alkyl Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, sec-Butyl, tert-Butyl ist, sowie deren verzweigten und verzweigten höheren Homologen, Benzyl und ungesättigten Alkinylgruppen; und
R₇ ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus H, Cl, Br, J, OH, O-Alkyl, wobei Alkyl Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, sec-Butyl, tert-Butyl ist, sowie deren verzweigten und verzweigten höheren Homologen, Benzyl und ungesättigten Alkinylgruppen.

„Höhere Homologe“, wie sie hierin verwendet werden, meinen C₁-C₁₀.
Die Bindung zwischen der selbst organisierenden Monolagenschicht und der zweiten Elektrodenschicht wird als kovalente Bindung, als Salzbrücke, durch Kation-π-Wechselwirkung oder durch elektrostatische Anziehung ausgebildet. Die zweite Elektrodenschicht und die selbst organisierende Monolagenschicht sind somit sehr stabil aneinander gebunden, die Haftung der beiden Schichten aufeinander wird verbessert und die Stabilität des Bauelements erhöht.
Die Ankergruppe kann ferner vor der Reaktion mit der zweiten Elektrodenschicht eine funktionelle Gruppe umfassen, die ausgewählt ist aus Hydroxamsäure, Oxim, Iso-Nitril, Phosphin und deren Kombinationen.
Die Dicke der selbst organisierenden Monolagenschicht kann 0,5 Nanometer bis 5 Nanometer betragen.
Die Dicke der selbst organisierenden Monolagenschicht wird in erster Linie durch die Länge der Molekülketten bestimmt. Je länger die Molekülketten in der selbst organisierenden Monolagenschicht sind, desto größer ist die Barrierewirkung, die von der selbst organisierenden Monolagenschicht für einen Ladungstransport von der zweiten Elektrodenschicht zu der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht oder umgekehrt bereitgestellt wird. Je kürzer jedoch die Molekülketten sind, desto weniger Möglichkeiten gibt es, Mehrfachbindungen mit delokalisierten Elektronen oder Substituenten bereitzustellen, die den Ladungstransport begünstigen können. Weiterhin kann die Dicke der selbst organisierenden Monolagenschicht durch den Winkel der Monolage zum Substrat bestimmt werden, wobei Winkel zwischen 30° und 90° möglich und zwischen 60° und 90° bevorzugt sind. Die Länge der Molekülketten, der Winkel zum Substrat und damit die Dicke der selbst organisierenden Monolagenschicht können daher so eingestellt werden, dass die selbst organisierende Monolagenschicht den Ladungstransport begünstigen kann.
Wenn die selbst organisierende Monolagenschicht als dielektrische Schicht wirkt und die Molekülketten der selbst organisierenden Monolagenschicht keine delokalisierten Elektronen aufweisen, kann die Länge der Molekülketten so eingestellt werden, dass einerseits ausreichende dielektrische Eigenschaften ausgeübt werden können, die selbst organisierende Monolagenschicht andererseits jedoch eine ausreichend geringe Dicke besitzt, um die Abmessungen des Bauelements möglichst klein halten zu können.
Wie oben bereits angegeben wurde, werden in den Kopfgruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht und in der wenigstens einen funktionellen Schicht, die mit der selbst organisierenden Monolagenschicht verknüpft werden soll, zueinander spezifische, funktionelle Gruppen eingesetzt.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst die wenigstens eine funktionelle organische Schicht, die über die Kopfgruppen mit der selbst organisierenden Monolagenschicht verknüpft ist, vor Ausbildung der Bindung zu der selbst organisierenden Monolagenschicht Oxiran-, Oxetan-, Aziridin-, Oxaziran-, Diazirin- und/oder Diaziridingruppen.
Damit ist es zum Beispiel möglich, unter Verwendung von NH₂-Gruppen in der Kopfgruppe und einer so genannten „Iranchemie“, eine äußerst stabile Vernetzung zwischen den Kopfgruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht und der wenigstens einen funktionellen Schicht in Form einer HN-C-COH-Bindung zu erreichen. Der Begriff „Iranchemie“ steht hierbei zusammenfassend für die Ausbildung von Bindungen, die unter Verwendung der funktionellen Oxiran-, Oxetan-, Aziridin-, Oxaziran-, Diazirin- und/oder Diaziridingruppen ausgebildet werden können.
Durch eine solche oben genannte Vernetzungsreaktion sowie durch weitere Reaktionen, wie beispielsweise Umlagerungen oder Eliminierungen innerhalb der selbst organisierenden Monolagenschicht und/oder in den Bindungen zwischen der selbst organisierenden Monolagenschicht und der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht, kann die selbst organisierende Monolagenschicht gegenüber weiteren nasschemischen Bearbeitungen unlöslich beziehungsweise unempfindlich gemacht werden. Die Anzahl der reaktiven Zentren als Kopplungsstellen für die Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht an der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht kann dabei variabel über die Konzentration der Kopplungsstellen in der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht gesteuert werden. Die optional nach der Vernetzung der selbst organisierenden Monolagenschicht mit der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht ablaufenden, weiteren Reaktionen, wie beispielsweise Eliminierungen oder Umlagerungen, verbessern die stabile Bindung zwischen der selbst organisierenden Monolagenschicht und der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht weiter und stellen so einen zuverlässigen Ladungstransport sicher.
Es wird beschrieben, dass das elektrische organische Bauelement als organischer Feldeffekttransistor ausgebildet ist, und die wenigstens eine funktionelle organische Schicht eine aktive Halbleiterschicht umfasst. In diesem Fall kann die selbst organisierende Monolagenschicht beispielsweise eine Gate-Dielektrikums-schicht sein oder als den Ladungstransport fördernde Schicht zwischen einer aktiven Halbleiterschicht und einer Source-Drain-Kontaktschicht angeordnet sein.
Ein organischer Feldeffekttransistor ist ein Feldeffekttransistor, der als Halbleiterschicht mindestens ein organisches Material verwendet. Er wird als spannungsgesteuertes Schaltungselement dazu verwendet, elektrischen Strom zu schalten oder zu verstärken und funktioniert dabei als Halbleiterwiderstand. Der Querschnitt oder die Dichte der Ladungsträger und damit die Leitfähigkeit kann durch eine quer zur Flussrichtung anliegende elektrische Spannung verändert werden.
Ein organischer Feldeffekttransistor verfügt über drei Anschlüsse, wobei die Source-Drain-Kontaktschicht zwei der drei Anschlüsse bereitstellt. Die aktive Halbleiterschicht eines organischen Feldeffekttransistors dient als leitende Schicht und wird vor allem aufgrund des geringen Gewichts und der mechanischen Flexibilität des organischen Materials eingesetzt. Auf der aktiven Halbleiterschicht kann zum Beispiel als weitere funktionelle Schicht eine Passivierungsschicht aufgebracht sein.
Die selbst organisierende Monolagenschicht kann als Gate-Dielektrikumsschicht in einem organischen Feldeffekttransistor zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Drain-Kontaktschicht eingesetzt werden und aufgrund ihrer nichtleitenden Molekülketten die dielektrischen Eigenschaften fördern.
Zum anderen kann die selbst organisierende Monolagenschicht zwischen der Source-Drain-Kontaktschicht und der aktiven Halbleiterschicht zur Verbesserung des Ladungstransports eingesetzt werden. Aufgrund der optional erfolgenden Substitutionen und der delokalisierten Elektronen im Molekülrückgrat der selbst organisierenden Monolagenschicht kann der Ladungstransport zwischen den Schichten des organischen Feldeffekttransistors begünstigt werden und die Funktionalität des Bauelements verbessern.
Das elektrische organische Bauelement kann als Solarzelle, als Fotodetektor oder als organische, elektrolumineszierende Leuchtdiode, ausgebildet und die wenigstens eine funktionelle organische Schicht kann dann eine fotoaktive Schicht sein.
Eine Solarzelle ist ein elektrisches Bauelement, das auf der Grundlage des photovoltaischen Effekts die Strahlungsenergie, die im Licht enthalten ist, direkt in elektrische Energie umwandelt. Solarzellen werden als Stromquelle betrieben. Funktionelle organische Schichten schließen zum Beispiel dotierte Halbleiterschichten ein, die den p-n-Übergang in dem Bauteil begünstigen. Die Intensität des auf eine oberste Schicht einfallenden Lichts wird in den darunter liegenden Materialschichten gegenüber der obersten Schicht, auf der das Licht auftrifft, exponentiell schwächer. Somit sollte der p-n-Übergang möglichst nahe an der Oberfläche liegen und die Übergangszone mit dem elektrischen Feld möglichst weit in das Material hineinreichen. Mit Hilfe der gezielt dotierten funktionellen organischen Schichten ist es möglich, die Ladungen der durch die in die Übergangszone einfallen Photonen erzeugten Elektronen-Loch-Paare durch das elektrische Feld zu beschleunigen. Die Verwendung einer selbst organisierenden Monolagenschicht kann dabei den Ladungstransport fördern und den Stromfluss verbessern.
Ein Fotodetektor bzw. eine Fotozelle ist ein Strahlungsdetektor, mit der ein elektrischer Strom gemessen werden kann, wenn die vom Licht aus der Fotokathode freigesetzten Elektronen durch Anlegen einer Spannung zur Fotoanode hin beschleunigt werden. Funktionelle organische Schichten in dem Fotodetektor dienen ebenso wie in einer Solarzelle dazu, den Ladungstransport durch gezielte Dotierung der Materialien zu begünstigen. Eine selbst organisierende Monolagenschicht kann hierbei ebenso zur Verbesserung des Ladungstransports dienen.
Eine organische Leuchtdiode (OLED) ist ein leuchtendes Bauelement, das mehrere funktionelle organische Schichten umfassen kann. Beispielsweise umfassen diese mehreren organischen Schichten eine strahlungsemittierende Schicht, die durch Rekombination von Löchern, die von der Anode injiziert werden, und Elektronen, die von der Kathode injiziert werden, Licht aussendet. Weiterhin kann eine OLED eine Lochtransportschicht, die zwischen der strahlungsemittierenden Schicht und der Anodenschicht angeordnet ist und die von der Anode injizierten Löcher zu der strahlungsemittierenden Schicht transportiert; eine Lochinjektionsschicht, die zwischen der Lochtransportschicht und der Anodenschicht angeordnet ist und die Injektion der Löcher von der Anodenschicht zu der Lochtransportschicht hin fördert; eine Elektronentransportschicht, die zwischen der Kathodenschicht und der strahlungsemittierenden Schicht angeordnet ist und die von der Kathode injizierten Elektronen zu der strahlungsemittierenden Schicht transportiert; eine Elektroneninjektionsschicht, die zwischen der Kathodenschicht und der Elektronentransportschicht angeordnet ist und die Injektion der Elektronen von der Kathodenschicht zu der Elektronentransportschicht hin fördert, aufweisen. In einem solchen Bauteil kann die selbst organisierende Monolagenschicht zwischen der Elektroneninjektionsschicht und der Anodenschicht und/oder zwischen der Lochinjektionsschicht und der Kathodenschicht angeordnet sein und entsprechend den Ladungstransport von Löchern und/oder Elektronen zu der strahlungsemittierenden Schicht hin fördern.
Die wenigstens eine funktionelle organische Schicht in einer Solarzelle, einer Fotozelle oder einer organischen Leuchtdiode kann daher eine fotoaktive Schicht sein.
In organischen Leuchtdioden, Solarzellen oder Fotodetektoren kann das Einführen einer selbst organisierenden Monolagenschicht die Ladungsträgerinjektion aus den Elektroden in die funktionellen organischen Schichten oder von den funktionellen organischen Schichten zu den Elektroden hin verbessern.
Bei organischen Feldeffekttransistoren wird eine selbst organisierende Monolagenschicht zum Beispiel zwischen der Source-Drain-Kontaktschicht und der aktiven Halbleiterschicht verwendet, um den Ladungstransport zu fördern oder sie wird zwischen der Gate-Elektrode und der Source-Drain-Kontaktschicht als Gate-Dielektrikumsschicht dazu eingesetzt, die nichtleitenden Eigenschaften zu verbessern.
Wenn das elektrische organische Bauelement eine organische, elektrolumineszierende Leuchtdiode ist, umfasst die Leuchtdiode neben einer ersten funktionellen organischen Schicht wenigstens eine zweite elektrische organische funktionelle Schicht.
Die zweite Elektrodenschicht ist eine Kathodenschicht.
In diesem Fall ist die wenigstens eine erste funktionelle organische Schicht als Elektronentransportschicht ausgebildet.
Es wird beschrieben, dass die zweite Elektrodenschicht alternativ eine Anodenschicht sein kann.
Die wenigstens eine erste funktionelle organische Schicht ist hierbei dann beispielsweise als Lochtransportschicht ausgebildet.
Eine zweite organische funktionelle Schicht kann dann beispielsweise eine strahlungsemittierende Schicht sein. Diese strahlungsemittierende Schicht ist eine elektrolumineszierende Schicht, da die Anregung der Strahlung durch elektrischen Strom erfolgt. Die Begriffe „strahlungsemittierende Schicht“ und „elektrolumineszierende Schicht“ werden hierbei gleichbedeutend verwendet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zu einer verbesserten, effizienteren und wirtschaftlich rentablen Herstellung eines elektrischen organischen Bauteils, wie es beispielsweise oben beschrieben wurde, bereit.
Mit einem solchen Herstellungsverfahren ist es möglich, eine stabile Verbindung zwischen der selbst organisierenden Monolagenschicht und der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht auszubilden und damit einen erhöhten, stabileren und verlässlicheren Landungstransport zu begünstigen. Dabei ist das erfindungsgemäße Verfahren leicht auszuführen und kann mit deutlich geringerem Kosten-, Zeit- und Arbeitsaufwand realisiert werden.
Die vorliegende Erfindung umfasst daher ein Verfahren zur Herstellung eines elektrischen organischen Bauelements, umfassend die Verfahrensschritte A) Bereitstellen eines Substrats, B) Erzeugen einer funktionellen Schichtanordnung auf dem Substrat, wobei die Schichtanordnung eine erste und eine zweite Elektrodenschicht, wenigstens eine funktionelle organische Schicht, die zwischen der ersten und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, eine selbst organisierende Monolagenschicht, die zwischen der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht und der zweiten Elektrodenschicht angeordnet ist, wobei die selbst organisierende Monolagenschicht Moleküle aufweist, die eine Kopfgruppe und eine Ankergruppe umfassen, die über ein Molekülrückgrat miteinander verbunden sind, und die Kopfgruppen kovalent oder über eine Salzbrücke mit der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht verknüpft sind, umfasst.
In einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung umfasst der Verfahrensschritt B) die Verfahrensschritte B1) das Erzeugen der ersten Elektrodenschicht auf dem Substrat, B2) das Erzeugen der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht auf der ersten Elektrodenschicht, B3) das Erzeugen der selbst organisierenden Monolagenschicht auf der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht, B4) das Erzeugen der zweiten Elektrodenschicht auf der selbst organisierenden Monolagenschicht.
Aufgrund der Spezifität der funktionellen Gruppen der Kopfgruppe der selbst organisierenden Monolagenschicht und der funktionellen Gruppen der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht zueinander richtet sich die selbst organisierende Monolagenschicht bei ihrer Abscheidung spontan mit den Kopfgruppen zu der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht hin aus. Die Kopfgruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht können dann kovalent oder über eine Salzbrücke mit der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht verknüpft werden.
Die Abscheidung der selbst organisierenden Monolagenschicht kann aus Lösung oder aus der Gasphase erfolgen.
In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird die selbst organisierende Monolagenschicht, die eine Vielzahl von einzelnen Molekülen umfasst, die mit einer Konzentration von 0,1 bis 100 mM in einem Lösungsmittel gelöst sind, aus Lösung auf der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht abgeschieden.
Geeignete Lösungsmittel für die Abscheidung der selbst organisierenden Monolagenschicht aus Lösung können Kohlenwasserstoffe, wie Pentan, Hexan, Heptan, Octan, Benzol, Toluol, Xylol, Cresol, Tetralin, Dekalin; chlorierte Kohlenwasserstoffe, wie Dichlormethan, Chloroform, Tetrachlorkohlenstoff, Trichlorethylen, Chlorbenzol, Dichlorbenzol; Alkohole, wie Methanol, n-Propanol, i-Propanol, Butanol; Ether und cyclische Ether, wie Diethylether, Diphenylether, Tetrahydrofuran, Dioxan; Ester, wie Essigsäureethylester; Dimethylformamid, Dimethylsulfoxid, N-Methylpyrrolidon, γ-Butyrolacton, Cyclohexan; und deren Mischungen umfassen.
Ferner können Zusätze enthalten sein, die die spezifischen Eigenschaften der Formulierung einstellen und so die Abscheidung der selbst organisierenden Monolagenschicht auf die wenigstens einen funktionelle organische Schicht weiter begünstigen. Diese Zusätze umfassen zum Beispiel Detergentien und/oder Tenside zur Einstellung der Benetzungseigenschaften; Säuren, wie beispielsweise Ameisensäure, Essigsäure, Schwefelsäure, Salpetersäure, Flusssäure, und Basen, wie beispielsweise Natronlauge, Kalilauge, Ammoniak, Triethylamin, zur Einstellung des pH-Werts; Lösungsmittel, wie beispielsweise die vorstehend genannten Lösungsmittel, zur Einstellung der Mischbarkeiten.
Die Einwirkzeit der Lösung zur Abscheidung der selbst organisierenden Monolagenschicht auf der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht kann zwischen einer Sekunde und einem Tag betragen. Die Einwirkungstemperatur wird nur durch den Siedepunkt des Lösungsmittels begrenzt und kann im Allgemeinen unter 200 °C liegen.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung erfolgt die Abscheidung der selbst organisierenden Monolagenschicht auf der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht aus der Gasphase. Die funktionelle organische Schicht, auf der die selbst organisierende Monolagenschicht abgeschieden werden soll, wird dazu in einem Vakuumrezipienten den verdünnten oder unverdünnten Dämpfen der Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht ausgesetzt. Die Dauer des Aussetzens kann dabei zwischen 10 Minuten und 5 Stunden betragen und bei einem Druck von 10^-6 bis 1000 mbar erfolgen. Zur Verdünnung der Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht können zum Beispiel Edelgase, wie He, Ne, Ar, Kr oder Xe oder inerte Gase, wie N₂ verwendet werden. Die Abscheidung erfolgt bevorzugt bei einer Temperatur von unterhalb 200 °C, sie ist jedoch auch bei höheren Temperaturen möglich.
Optional wird nach dem Abscheiden der selbst organisierenden Monolagenschicht auf der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht mindestens ein weiterer Verfahrensschritt B3a) durchgeführt. Dieser weitere Schritt kann beispielsweise ein Temperaturschritt sein, der dazu dient, die Verknüpfung der selbst organisierenden Monolagenschicht mit der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht zu vervollständigen. Ferner kann der weitere Schritt einen Waschschritt umfassen, bei dem die mit der selbst organisierenden Monolagenschicht beschichtete funktionelle organische Schicht mit Lösungsmittel gespült wird, um überschüssige und chemisch nicht gebundene Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht zu entfernen.
Nach vollständigem Abscheiden der selbst organisierenden Monolagenschicht auf der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht kann die selbst organisierende Monolagenschicht ferner durch weitere Reaktionen, wie beispielsweise Umlagerungen und/oder Eliminierungen innerhalb der selbst organisierenden Monolagenschicht und/oder in den Bindungen zwischen der selbstorganisierenden Monolagenschicht und der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht gegenüber weiteren nasschemischen Bearbeitungen unlöslich bzw. unempfindlich gemacht werden.
Anschließend wird in einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung eine elektrisch leitende Schicht als zweite Elektrodenschicht auf der selbst organisierenden Monolagenschicht abgeschieden und kovalent oder über eine Salzbrücke oder über Kation-π-Wechselwirkungen oder elektrostatische Anziehung mit den Ankergruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht verknüpft.
Die zweite Elektrodenschicht wird in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung durch Verdampfung auf der selbst organisierenden Monolagenschicht abgeschieden.
Die zweite Elektrodenschicht ist eine Kathodenschicht, wie beispielsweise eine Aluminiumschicht.
Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Figuren und der Ausführungsbeispiele näher erläutert werden.
1 zeigt eine schematische Seitenansicht eines elektrischen organischen Bauelements, das als organische Leuchtdiode ausgebildet ist, sowie eine vergrößerte Ansicht der in der schematischen Seitenansicht des Bauelements vereinfacht dargestellten, funktionellen organischen Schichten 3. Die funktionellen organischen Schichten können dabei zum Beispiel die oben genannte Schichtanordnung aufweisen und bilden daher in diesem Beispiel die Schichten 3A - 3E aus.
2 zeigt eine schematische Seitenansicht eines elektrischen organischen Bauelements, das als organischer Feldeffekttransistor ausgebildet ist.
3 zeigt schematisch eine Anordnung bei der Abscheidung der selbst organisierenden Monolagenschicht auf der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht und der Abscheidung der zweiten Elektrodenschicht auf der selbst organisierenden Monolagenschicht. Zur Verdeutlichung der Ausrichtung der selbst organisierenden Monolagenschicht sind die Ankergruppen 400a, das Molekülrückgrat 400b und die Kopfgruppen 400c der selbst organisierenden Monolagenschicht 400 angegeben.
Unter Bezugnahme auf 1 befindet sich auf einem Substrat 1 eine erste Elektrodenschicht 2, auf dieser wenigstens eine funktionelle organische Schicht 3, darauf eine selbst organisierende Monolagenschicht 4 und schließlich eine zweite Elektrodenschicht 5.
Das Substrat 1 ist beispielsweise ein Glassubstrat. Die auf dem Substrat 1 abgeschiedene erste Elektrodenschicht 2 kann eine Anodenschicht sein. Die funktionellen organischen Schichten der organischen Leuchtdiode aus dem Ausführungsbeispiel 1 können eine Lochinjektionsschicht 3A, eine Lochtransportschicht 3B, eine strahlungsemittierende Schicht 3C, eine Elektronentransportschicht 3D und eine Elektroneninjektionsschicht 3E umfassen. Die Lochinjektionsschicht 3A, die Lochtransportschicht 3B, die Elektronentransportschicht 3D und die Elektroneninjektionsschicht 3E können jeweils in geeigneter Weise dotiert sein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die selbst organisierende Monolagenschicht 4 auf der Elektroneninjektionsschicht 3E abgeschieden werden. Beispielsweise kann die selbst organisierende Monolagenschicht 4 mit Hilfe der „Iranchemie“, wie sie oben kurz erläutert wurde, an die Elektroneninjektionsschicht 3E gebunden werden. Die selbst organisierende Monolagenschicht 4 dient dann dazu, den Elektronentransport von der zweiten Elektrodenschicht 5, die eine Kathodenschicht ist, und mittels Verdampfung abgeschieden werden kann, in die Elektroneninjektionsschicht 3E zu fördern ohne dabei eine Diffusion der Dotierstoffe zu begünstigen. Die Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht 4 weisen den Elektronentransport fördernde Eigenschaften auf, wie beispielsweise konjugierte π-Elektronensysteme im Molekülrückgrat, die einen stabilen Transport der elektrischen Ladung von der zweiten Elektrodenschicht 5 in die Elektroneninjektionsschicht 3E verbessern. Die kovalente oder über eine Salzbrücke erfolgende Verknüpfung der Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht 4 über die Kopfgruppen mit der Elektroneninjektionsschicht 3E trägt dazu bei, der vorliegenden organischen Leuchtdiode eine höhere Stabilität und somit eine erhöhte Effizienz und Lebensdauer zu verleihen.
Die Abscheidung der Schichten 1 bis 5 in dem erfindungsgemäßen Verfahren ermöglicht eine effizientere Herstellung des Bauteils, ohne komplexe Verfahrensschritte zu erfordern. Zugleich ist es möglich, eine Diffusion der Dotierstoffe in den funktionellen Schichten 3 und die damit einhergehende Abnahme der Lebensdauer zu verhindern.
Unter Bezugnahme auf 2 befindet sich in einem Referenzbeispiel auf einem Substrat 10 eine Gate-Elektrodenschicht 60, auf dieser eine selbst organisierende Monolagenschicht 40, eine Source-Drain-Kontaktschicht 70, auf dieser eine aktive Halbleiterschicht 80 und schließlich eine Schicht 90, die beispielsweise eine Passivierungsschicht sein kann. Das Substrat 10 kann ein Glassubstrat sein. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann die selbst organisierende Monolagenschicht 40 als Gate-Dielektrikumsschicht auf der Gate-Elektrodenschicht 60 abgeschieden worden sein. Die Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht 40 können hier dielektrische Eigenschaften besitzen und lineare Moleküle aufweisen, deren Bindungselektronen fest zwischen zwei Atomen lokalisiert sind. Solche Moleküle können lineare Kohlenwasserstoffketten sein. Um der selbst organisierenden Monolagenschicht 40 eine höhere Stabilität zu verleihen, können die Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht 40 über funktionelle Substituenten an den Ketten miteinander vernetzt werden. Auf der selbst organisierenden Monolagenschicht 40 kann eine Source-Drain-Kontaktschicht 70 abgeschieden werden.
Die kovalente oder über eine Salzbrücke erfolgende Verknüpfung der selbst organisierenden Monolagenschicht 40 mit der Gate-Elektrodenschicht 60 verleiht dem vorhandenen organischen Feldeffekttransistor zusätzliche Stabilität und eine verbesserte Lebensdauer.
In 3 ist eine Anordnung bei der Abscheidung der selbst organisierenden Monolagenschicht 400 auf der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht 300 und der Abscheidung der zweiten Elektrodenschicht 500 auf der selbst organisierenden Monolagenschicht 400 zu sehen. Der Pfeil gibt dabei die gegenüber dem Stand der Technik umgekehrte Reihenfolge der Abscheidung an. Die Abscheidung erfolgt beispielsweise aus Lösung. Wenn die selbst organisierende Monolagenschicht 400 auf der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht 300 abgeschieden wird, richtet sich die selbst organisierende Monolagenschicht 400 mit den Kopfgruppen 400a zu der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht 300 hin aus, so dass die wenigstens eine funktionelle organische Schicht 300 und die selbst organisierende Monolagenschicht 400 über die Kopfgruppen 400a miteinander verknüpft werden. Wenn die zweite Elektrodenschicht 500, beispielsweise ebenfalls aus Lösung, auf der selbst organisierenden Monolagenschicht 400 abgeschieden wird, wird sie über die Ankergruppen 400c der Moleküle der selbst organisierenden Monolagenschicht, die über das Molekülrückgrat 400b mit den Kopfgruppen 400a verbunden sind, mit der selbst organisierenden Monolagenschicht 400 verknüpft werden. Aufgrund der spezifischen Bindungen zwischen Kopfgruppen 400a und der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht 300 und den Ankergruppen 400c und der zweiten Elektrodenschicht 500 kann die selbst organisierende Monolagenschicht 400 stabil in das elektrische organische Bauelement eingebaut werden und so beispielsweise den Ladungstransport zwischen der zweiten Elektrodenschicht 500 und der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht 300 begünstigen. Die zweite Elektrodenschicht 500 ist eine Kathodenschicht und die wenigstens eine funktionelle organische Schicht 300 kann zum Beispiel eine Elektronentransportschicht sein. Die selbst organisierende Monolagenschicht 400 begünstigt in einer solchen Ausführungsform den Transport der Elektronen von der Kathodenschicht zu der Elektronentransportschicht und erhöht somit in effizienter Weise die Funktion des Bauelements.
Die Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung können beliebig variiert werden. Es ist weiterhin zu berücksichtigen, dass sich die Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt, sondern weitere, hier nicht aufgeführte Ausgestaltungen zulässt.

Claims

Elektrisches organisches Bauelement, umfassend - ein Substrat (1) - eine erste Elektrodenschicht (2), die auf dem Substrat (1) angeordnet ist, und eine zweite Elektrodenschicht (5), die auf wenigstens einer funktionellen organischen Schicht (3) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrodenschicht (5) eine Kathodenschicht ist, - wobei die wenigstens eine funktionelle organische Schicht (3) zwischen der ersten (2) und der zweiten Elektrodenschicht (5) angeordnet ist und zur Strahlungsemission eingerichtet ist, - eine selbst organisierende Monolagenschicht (4), die zwischen der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht (3) und der zweiten Elektrodenschicht (5) angeordnet ist, - wobei die selbst organisierende Monolagenschicht (4) Moleküle aufweist, die eine Kopfgruppe und eine Ankergruppe umfassen, die über ein Molekülrückgrat miteinander verbunden sind, und - die Kopfgruppen kovalent oder über eine Salzbrücke mit der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht (3) verknüpft sind.
Elektrisches organisches Bauelement nach Anspruch 1, wobei die Kopfgruppen wenigstens eine funktionelle Gruppe umfassen, die mit wenigstens einer funktionellen Gruppe in der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht (3) eine spezifische Bindung eingeht.
Elektrisches organisches Bauelement nach Anspruch 1 und 2, wobei die Ankergruppen kovalent oder über eine Salzbrücke oder über Kation-π-Wechselwirkungen oder elektrostatische Anziehung mit der zweiten Elektrodenschicht (5) verknüpft sind.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ankergruppen wenigstens eine funktionelle Gruppe umfassen, die mit wenigstens einer funktionellen Gruppe in der zweiten Elektrodenschicht (5) eine spezifische Bindung eingeht.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Molekülrückgrat eine lineare Molekülkette umfasst.
Elektrisches organisches Bauelement nach Anspruch 5, wobei die linearen Molekülketten gesättigte oder ungesättigte Kohlenwasserstoffketten sind, die gegebenenfalls mit einem oder mehreren Heteroatomen substituiert und/oder von diesen unterbrochen sind.
Elektrisches organisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kohlenwasserstoffketten Doppel- oder Dreifachbindungen aufweisen.
Elektrisches organisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kohlenwasserstoffketten delokalisierte Elektronen aufweisen.
Elektrisches organisches Bauelement nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei die Kohlenwasserstoffketten konjugierte Mehrfachbindungen aufweisen.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Molekülrückgrat Arylgruppen umfasst, die gegebenenfalls mit einem oder mehreren Heteroatomen substituiert und/oder von diesen unterbrochen sind.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei die Heteroatome ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus Halogen, O, N und deren Kombinationen.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 5 bis 9 und 11, wobei die linearen Molekülketten gesättigte oder ungesättigte Alkylketten mit 1 bis 20 Kohlenstoffatomen aufweisen.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Molekülrückgrat Polyethylenglykol und/oder Polyethylendiamin umfasst.
Elektrisches organisches Bauelement nach Anspruch 13, wobei die Kopfgruppe eine Arylgruppe umfasst.
Elektrisches organisches Bauelement nach Anspruch 14, wobei die Arylgruppe mit einer Alkylgruppe substituiert ist, die gegebenenfalls mit einem Halogen substituiert ist.
Elektrisches organisches Bauelement nach Anspruch 15, wobei die Alkylgruppe eine ungesättigte Alkylgruppe umfasst.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Alkylgruppe mit einem oder mehreren von Halogen, S, N substituiert und/oder von diesen unterbrochen ist.
Elektrisches organisches Bauelement nach Anspruch 13 bis 17, wobei die Kopfgruppe eine redoxreaktive Kopfgruppe umfasst.
Elektrisches organisches Bauelement nach Anspruch 16, wobei die redoxreaktive Kopfgruppe Ferrocen, Phthalocyaninen und/oder Porphyrin umfasst.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Ankergruppe eine funktionelle organische Gruppe mit gegebenenfalls ungesättigten Doppelbindungen umfasst.
Elektrisches organisches Bauelement nach Anspruch 20, wobei die Ankergruppe vor Ausbildung der Bindung mit der zweiten Elektrodenschicht (5) eine Formel besitzt, die ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus:
worin: R₁, R₂ und R₃ unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Cl, Br, J, OH, O-Alkyl, wobei Alkyl Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, sec-Butyl, tert-Butyl ist, und deren verzweigten und verzweigten höheren Homologen, Benzyl und ungesättigten Alkenylgruppen, vorausgesetzt, dass wenigstens eines von R₁, R₂ und R₃ nicht H ist; R₄ ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus H, Cl, Br, J, OH, O-SiR1R2R3, O-Alkyl, wobei Alkyl Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, sec-Butyl, tert-Butyl ist, sowie deren verzweigten und verzweigten höheren Homologen, Benzyl und ungesättigten Alkenylgruppen, wobei R₁, R₂ und R₃ so wie oben definiert sind; R₅ und R₆ unabhängig voneinander ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus H, Cl, Br, J, OH, O-Alkyl, wobei Alkyl Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, sec-Butyl, tert-Butyl ist, sowie deren verzweigten und verzweigten höheren Homologen, Benzyl und ungesättigten Alkenylgruppen; und R₇ ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus H, Cl, Br, J, OH, O-Alkyl, wobei Alkyl Methyl, Ethyl, n-Propyl, i-Propyl, n-Butyl, sec-Butyl, tert-Butyl ist, sowie deren verzweigten und verzweigten höheren Homologen, Benzyl und ungesättigten Alkenylgruppen.
Elektrisches organisches Bauelement nach Anspruch 20, wobei die Ankergruppe eine funktionelle Gruppe umfasst, die ausgewählt ist aus Hydroxamsäure, Oxim, Iso-Nitril, Phosphin und deren Kombinationen.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die selbst organisierende Monolagenschicht (4) eine Dicke zwischen 0,5 nm bis 5 nm aufweist.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine funktionelle organische Schicht (3), die über die Kopfgruppen mit der selbst organisierenden Monolagenschicht verknüpft ist, vor Ausbildung der Bindung zu der selbst organisierenden Monolagenschicht Oxiran-, Oxetan-, Aziridin-, Oxaziran-, Diazirin- und/oder Diaziridingruppen umfasst.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die selbst organisierende Monolagenschicht (4) als eine Ladungstransportschicht wirkt.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, ausgebildet als organische, elektrolumineszierende Leuchtdiode, weiterhin umfassend eine zweite elektrische organische funktionelle Schicht.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ein oder mehreren elektrischen organischen funktionellen Schichten eine strahlungsemittierende Schicht (3C) umfassen.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine erste funktionelle organische Schicht (3) eine Elektronentransportschicht (3D) ist.
Elektrisches organisches Bauelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Elektrodenschicht, die wenigstens eine funktionelle organische Schicht, die selbst organisierende Monolagenschicht sowie gegebenenfalls das Substrat transparent sind.
Verfahren zur Herstellung eines elektrischen organischen Bauelements gemäß einem der Ansprüche 1 bis 29, umfassend die Verfahrensschritte A) Bereitstellen eines Substrats (1), B) Erzeugen einer funktionellen Schichtanordnung auf dem Substrat (1), wobei die Schichtanordnung eine erste und eine zweite Elektrodenschicht (2, 5), wobei die erste Elektrodenschicht (2) auf dem Substrat angeordnet ist, wenigstens eine funktionelle organische Schicht (3), die zwischen der ersten (2) und der zweiten Elektrodenschicht (5) angeordnet ist, wobei die zweite Elektrodenschicht (5) auf wenigstens der funktionellen organischen Schicht (3) angeordnet ist und wobei die zweite Elektrodenschicht (5) eine Kathodenschicht ist, eine selbst organisierende Monolagenschicht (4), die zwischen der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht (3) und der zweiten Elektrodenschicht (5) angeordnet ist, wobei die selbst organisierende Monolagenschicht (4) Moleküle aufweist, die eine Kopfgruppe und eine Ankergruppe umfassen, die über ein Molekülrückgrat miteinander verbunden sind, und die Kopfgruppen kovalent oder über eine Salzbrücke mit der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht (3) verknüpft wird, umfasst.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Verfahrensschritt B) umfasst: B1) Erzeugen der ersten Elektrodenschicht (2) auf dem Substrat (1), B2) Erzeugen der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht (3) auf der ersten Elektrodenschicht (2), B3) Erzeugen der selbst organisierenden Monolagenschicht (4) auf der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht (3), B4) Erzeugen der zweiten Elektrodenschicht (5) auf der selbst organisierenden Monolagenschicht (4).
Verfahren nach Anspruch 31, wobei im Schritt B3) die selbst organisierende Monolagenschicht (4) auf der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht (3) abgeschieden wird und die Kopfgruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht (4) kovalent oder über eine Salzbrücke mit der wenigstens einen funktionellen organischen Schicht (3) verknüpft werden.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei in Schritt B4) eine elektrisch leitende Schicht als zweite Elektrodenschicht (5) auf der selbst organisierenden Monolagenschicht (4) abgeschieden wird und die leitende Schicht kovalent oder über eine Salzbrücke oder über oder über Kation-π-Wechselwirkungen oder elektrostatische Anziehung mit den Ankergruppen der selbst organisierenden Monolagenschicht (4) verknüpft wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, wobei die Abscheidung der selbst organisierenden Monolagenschicht (4) aus Lösung erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 34, wobei die selbst organisierende Monolagenschicht (4) eine Vielzahl von einzelnen Molekülen umfasst und diese Moleküle in einer Konzentration von 0,1 bis 100 mMol in einem Lösungsmittel gelöst sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 31 bis 33, wobei die Abscheidung der selbst organisierenden Monolagenschicht (4) aus der Gasphase erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei das Verfahren nach Schritt B3) mindestens einen weiteren Schritt B3a) umfasst, der einen Temperaturschritt und/oder Waschschritt umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 33 bis 37, wobei die zweite Elektrodenschicht (5) durch Verdampfung auf der selbst organisierenden Monolagenschicht (4) abgeschieden wird.