WO2020035481A1 - Forming thin, crystalline layers from organic molecules having planar molecular structure in lying orientation - Google Patents

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WO2020035481A1
WO2020035481A1 PCT/EP2019/071682 EP2019071682W WO2020035481A1 WO 2020035481 A1 WO2020035481 A1 WO 2020035481A1 EP 2019071682 W EP2019071682 W EP 2019071682W WO 2020035481 A1 WO2020035481 A1 WO 2020035481A1
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organic molecules
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Giuliano DUVA
Alexander HINDERHOFER
Frank Schreiber
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Eberhard Karls Universität Tübingen
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    • H10K85/621Aromatic anhydride or imide compounds, e.g. perylene tetra-carboxylic dianhydride or perylene tetracarboxylic di-imide

Definitions

  • the invention described below relates to a method for forming a crystalline layer of organic molecules on a surface of a substrate and the coated substrate obtained according to the method.
  • DIP diindenoperylene
  • a C2 axis can be placed lengthways and crossways.
  • Kowarik et al. observed that DIP molecules can undergo a structural transition during the growth of a DIP layer, which may be associated with a change in this angle.
  • a dependency on the respective substrate as well as on the temperature and the growth rate was described.
  • the formation of mixed forms was observed, in which DIP occurred in a lying and in a standing orientation.
  • orientations can be of practical relevance, in particular in the formation of thin layers of organic semiconductor molecules, for example in the construction of organic solar cells or organic field effect transistors.
  • the optical properties of the layers largely depend on the orientation of the molecules.
  • the invention proposes the method with the features mentioned in claim 1.
  • the substrate with the features of claim 10 is also encompassed by the invention. Developments of the invention are the subject of dependent claims.
  • the method according to the invention surprisingly represents a generic approach to the formation of a crystalline layer of organic molecules in a lying orientation on a surface of a substrate. It always comprises the immediately following six steps a. to f .: a. Providing the substrate with the surface to be coated in a vacuum chamber, b. Providing a substance from organic molecules that
  • the substrate in the vacuum chamber or a secondary chamber coupled to it, c. Cooling the substrate to a deposition temperature in the range of -50 ° C to -273 ° C, d. at least partial sublimation or evaporation of the substance with conversion of the organic molecules into the gas phase, e. Depositing the organic molecules from the gas phase on the cooled surface of the substrate, f. Heating the substrate with the coated surface, starting from the deposition temperature, with a heating rate of a maximum of 10 ° C / min to a maximum temperature> 0 ° C and ⁇ the melting or sublimation temperature of the substance.
  • the vacuum chamber is generally coupled to a high vacuum source, with the aid of which a vacuum of at least 10 7 bar can be set in the vacuum chamber.
  • a corresponding structure in particular also an example of a suitable cooling system, was developed, for example, by Ritley et al. in Rev. Instr. 72 (2001), 1453.
  • the substance can in principle be heated by means of any heating sources. Electrical heating is particularly preferably used, for example a heating wire installed in the secondary chamber.
  • the substance is provided in the secondary chamber, it may be preferred to provide a valve or a lock between the vacuum chamber and the secondary chamber in order to be able to better control the concentration of sublimed or vaporized organic molecules in the vacuum chamber. As soon as the sublimed or evaporated molecules can come into contact with the cooled substrate in the vacuum chamber, the deposition takes place all by itself, they are “captured” by its cooled surface.
  • the deposited molecules usually have a so-called herringbone packing (face-to-edge configuration) in the crystalline layer after the heating step or they are stored in layers arranged parallel to one another (face-to-face Configuration). This can be controlled by an appropriate selection of the substance. Different crystalline configurations (polymorphs) are usually observed for the same molecule, which is why the crystal configuration can possibly be controlled by the treatment parameters, usually the maximum heating temperature.
  • the planar region mentioned is a benzyl radical, more preferably a condensed aromatic ring system such as, for example, a naphthyl or anthracyl radical, or a larger condensed ring system as in the case of the DIP mentioned at the outset.
  • a condensed aromatic ring system such as, for example, a naphthyl or anthracyl radical, or a larger condensed ring system as in the case of the DIP mentioned at the outset.
  • Heteroaromatics with furan, thiophene, pyridine or pyrrole groups are also suitable. In particular preferred substances will be discussed below.
  • a distinction between the lying and the standing arrangement is preferably made by means of X-ray structure analysis.
  • the longitudinal axis of the molecule closes when it is stationary Orientation a larger angle with the surface than with lying orientation.
  • the respective angle can vary, especially depending on the substance used.
  • the general rule is that straight lines can be laid in the plane of each planar area that form an angle with the surface. In the case of symmetrical molecules, these straight lines can be axes of rotation.
  • the maximum angle that a straight line forms with the surface in the case of a standing orientation is greater than in the case of a lying orientation.
  • the deposition temperature should be chosen so that it can still be achieved with the help of liquid nitrogen. It is therefore preferably in the range from -50 ° C to -196 ° C. Within this range, ranges from -80 ° C to -196 ° C, in particular from -80 ° C to -160 ° C or from -80 ° C to -120 ° C, are further preferred.
  • Slow heating in step f. serves in particular to suppress undesirably strong diffusion processes.
  • a too high heating rate above the 10 ° C / min is not conducive to the uniformity of the arrangement formed. In most cases, the heating rate is chosen even lower. It is preferably a maximum of 5 ° C / min, particularly preferably a maximum of 4 ° C / min, in particular a maximum of 2 ° C / min.
  • the maximum temperature must not exceed the sublimation or melting temperature of the substance used. It is preferably at least 10 ° C. below the sublimation or melting temperature of the substance used in each case, particularly preferably at least 25 ° C., in particular at least 50 ° C. Maximum temperatures in the range from 40 ° C. to 180 ° C. are preferred. Within this range, maximum temperatures in the range from 60 ° C. to 180 ° C. or in the range from 100 ° C. to 180 ° C., in particular in the range from 120 ° C. to 160 ° C., are further preferred.
  • the coated substrate is characterized by a lying crystalline arrangement of the deposited molecules, which is stable even at room temperature and ambient air.
  • the method is characterized by at least one of the five immediately following additional features a. to e. from: a.
  • the surface of the substrate on which the crystalline layer of organic molecules is formed is planar; the surface is particularly preferably a planar surface of a wafer, a sensor or an electrode.
  • the surface of the substrate on which the crystalline layer of organic molecules is formed has a maximum roughness depth Rzlmax of 5 nm, more preferably 4 nm. c.
  • the surface of the substrate consists of a metal, in particular from the group with Au (gold), Ag (silver), Cu (copper) and Si (silicon) or a metal oxide, in particular from the group with SiO x with 1> x ⁇ 2 , Indium tin oxide (ITO) and aluminum oxide, in particular corundum, or a carbon modification such as graphite.
  • the surface of the substrate is already precoated with organic semiconductor molecules.
  • the surface of the substrate is pretreated, in particular oxidized, hydrophilized or hydrophobized, for example by means of tetratetracontane.
  • the specified values for the maximum roughness depth refer preferably to values determined in accordance with DIN EN ISO 4287: 2010-0.
  • the precoating with organic semiconductor molecules can be preferred in particular in the production of organic electronics or photovoltaic components. Structures are then created with two or more layers of organic semiconductors.
  • the surface to be coated is a silicon surface artificially oxidized in an oxygen atmosphere.
  • the method is characterized by at least one of the five immediately following additional features a. to e. out: a.
  • the substrate is fixed in the vacuum chamber on a holder which is coupled to a coolant source.
  • a vacuum of ⁇ 10 7 mbar, preferably of ⁇ 5 * 10 8 mbar, is set in the vacuum chamber.
  • the suppression remains constant or becomes lower during the deposition process.
  • a deposition rate of not less than 0.02 nm / min and / or a deposition rate of at most 2 nm / min, in particular a deposition rate in the range from 0.02 nm / min to 2 nm / min is set.
  • the maximum temperature is maintained over a period of up to 72 h, preferably up to 12 h, particularly preferably up to 1 h, in particular up to 10 min.
  • the negative pressure set in the vacuum chamber is also maintained during the heating step described above. But this is not absolutely necessary.
  • the ingress of oxygen into the vacuum chamber should be prevented during the heating step. This can also be achieved, for example, by flooding the vacuum chamber with an inert protective gas.
  • a drop in the growth rate below the lower limit of 0.02 nm / min should be avoided in many cases. Too slow growth can promote the formation of standing crystalline arrays.
  • the method is characterized by at least one of the five immediately following additional features a. to g. from: a.
  • the organic molecules are molecules with semiconductor properties.
  • the organic molecules are aniosotropic molecules.
  • the molecular structure in the subarea is an aromatic structure.
  • the organic molecules are molecules with a polycyclic ring structure, in particular a polycyclic aromatic ring structure, in particular a condensed polycyclic aromatic ring structure. e.
  • the organic molecules are molecules with a linearly condensed ring system, in particular an oligoacene from the group with anthracene, anthracene derivatives, tetracene, tetracene derivatives, pentacene, pentacene derivatives (for example quinacridone), carbazole and carbazole derivatives , f.
  • the organic molecules are molecules with a two-dimensional condensed ring system, in particular a molecule from the group with perylene or a perylene derivative (for example DIP or 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid dianhydride (PTCDA)), triphe- nylene (9,10-benzophenanthrene) or a triphenylene derivative, coronene or a coronene derivative (eg hexabenzocoronene).
  • PTCDA 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid dianhydride
  • the organic molecules are molecules with a molecular weight of up to 750 g / mol.
  • At least the features a., B., C. are particularly preferred. and e. or a., b., c. and f. realized in combination with each other.
  • the substance may also be rubrene or a rubrene derivative, sexithiophene or a sexithiophene derivative or a polythiophene a polythiophene derivative, the latter in particular with a chain length of up to 8 molecules, in particular with one Chain length from 5 to 8 thiophene molecules.
  • the molecular weight of the organic molecules is fundamentally not critical in the context of the present invention. However, the molecules should be sublimable or evaporable. This is usually the case with the preferred upper limit of 750 g / mol.
  • the configuration in which the deposited molecules are present in the crystalline layer can be controlled by an appropriate selection of the substance used in the process according to the invention.
  • a face-to-edge configuration can be obtained with DIP, for example, and a face-to-face configuration with PTCDA.
  • the substrate obtainable according to the described method is distinguished by a surface on which a crystalline layer composed of the described organic molecules is deposited, the molecules having the lying orientation likewise described.
  • the crystallinity of the layer can usually be proven by X-ray diffraction tests. As a result of the crystallinity, the Bragg peaks obtained, for example, by means of surface-sensitive X-ray diffraction, are broadened and are connected to one another by means of crystal truncation rods.
  • the layer has anisotropic optical properties. Accordingly, it is particularly suitable for various optoelectronic applications.
  • the substrate is characterized by at least one of the two immediately following additional features a. and b. from: a.
  • the layer has a layer thickness in the range from 1 nm to 200 nm, particularly preferably in the range from 1 nm to 100 nm.
  • the substrate is part of an optoelectronic device.
  • DIP Diindenoperylene
  • OMBD Organic Molecular Beam Deposition
  • an auxiliary heater is used to sublimate DIP in a secondary chamber coupled to the vacuum chamber.
  • DIP molecules in the gas phase suddenly lose their kinetic energy due to the low substrate temperature, which means that any diffusion processes on the substrate are minimized.
  • the deposition process continues until a layer of DIP molecules of approximately 15 nm has deposited on the surface.
  • the crystalline arrangement of molecules captured in this way on the substrate surface is initially very small, and the deposited layer may even be completely amorphous at this point in time.
  • a heating step in which the coated substrate is electrically heated at a heating rate of 2-3 ° C / minute. The heating is carried out until a temperature of 140 ° C is reached.
  • the layer is gradually being provided with more and more thermal energy. Diffusion processes are then used in a controlled manner and the molecules can orient themselves in the desired crystalline arrangement, e.g. can be demonstrated with the help of X-ray examinations.
  • the formation of layers of organic molecules can be induced on substrate surfaces at very low temperatures, the molecules always aligning themselves in a lying orientation and ideally the layers are initially largely amorphous, possibly even completely amorphous, immediately after the deposition.
  • the subsequent heating creates a gradual transition to a completely crystalline structure, while the lying orientation remains. Both the crystal structure and the horizontal orientation remain unchanged at room temperature and when in contact with room air.
  • FIG. 1 A vivid illustration of the possible orientation control and induced crystalline arrangement according to the described invention can be found in FIG. 1.
  • FIG. 1 shows a scattering pattern (left, la, measured) of a crystalline layer of DIP molecules in a standing arrangement and a comparison of optical properties (right, lb, from the publication by U. Heinemeyer et al. Phys. Rev. B 78 (2008), 085210) crystalline layers with DIP molecules in a standing orientation.
  • the scatter pattern can be simulated with the "standing-oriented" DIP unit cell: the three-digit numbers represent the Miller indices for the designation of the different crystalline levels.
  • the lower half of FIG. 1 shows a scatter pattern (left, l.c, measured) of a crystalline layer of DIP molecules in a lying arrangement and a comparison of optical properties (right, l.d) of crystalline layers with DIP molecules in a lying orientation.
  • the scatter pattern differs significantly from that shown in the upper half of FIG. 1. This can be explained by the horizontal orientation of the DIP molecules.
  • the optical properties are reciprocal to those of crystals made from standing DIP molecules.
  • the "in-plane" (i.e. parallel to the substrate) component of the imaginary part of the dielectric function is much stronger here than the "out-of-plane” (i.e. perpendicular to the substrate) component.

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Abstract

The aim of the invention is to form a crystalline layer from organic molecules on a surface of a substrate. This aim is achieved, according to the invention, in that the substrate having the surface to be coated is arranged in a vacuum chamber and is cooled to a deposition temperature in the range of -50°C to -273 °C. A substance composed of organic molecules, which, in a planar region, have a planar molecular structure and which can be arranged on the surface in a lying crystalline arrangement which is stable at room temperature and a standing crystalline arrangement which is stable at room temperature, is at least partially evaporated or sublimed, the molecules thus being converted to the gas phase, followed by deposition of the molecules on the cooled surface. After the deposition, the substrate is heated, starting from the deposition temperature, at a heating rate of at most 10°C/min to a maximum temperature greater than 0°C and less than the melting or sublimation temperature of the substance. The substrate thus coated is characterized in that the molecules are present on the substrate in the stable lying crystalline arrangement.

Description

Bildung dünner, kristalliner Schichten aus organischen Molekülen mit planarer Molekülstruktur in liegender Orientierung  Formation of thin, crystalline layers from organic molecules with a planar molecular structure in a lying orientation
Die nachfolgend beschriebene Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung einer kristallinen Schicht aus organischen Molekülen auf einer Oberfläche eines Substrats sowie das gemäß dem Ver fahren erhaltene beschichtete Substrat. The invention described below relates to a method for forming a crystalline layer of organic molecules on a surface of a substrate and the coated substrate obtained according to the method.
Das Verständnis von Wachstumsphänomenen ist für viele technische Anwendungen, einschließlich unterschiedlicher Einkristall-Systeme sowie dünner Schichten, von großer Bedeutung. Von besonde rem Interesse ist das Wachstum molekularer Systeme. Im Gegensatz zu atomaren Systemen müssen bei molekularen nicht nur Adsorptionszustände sondern auch Molekülorientierungen berücksichtigt werden. Scheidet man Moleküle wie Diindenoperylen (DIP) auf Oberflächen ab, so können diese auf den Oberflächen eine liegende und eine stehende Orientierungen einnehmen, wie dies etwa von Ko- warik et al. in Phys. Rev. Lett. 96, 125504 (2006) sowie in Appl. Phys. A, 95, 2009, 233-239 beschrieben wird. DIP weist in einem Planarbereich eine planare, von Perylen abgeleitete, langestreckte aromati sche Molekülstruktur auf. Durch die Ebene dieses Planarbereichs lässt sich längs und quer jeweils eine C2-Achse legen. Die längere der beiden Achsen, die Molekül-Längsachse, schließt in der stehenden Orientierung einen größeren Winkel mit der Oberfläche ein als in der liegenden Orientierung. Kowarik et al. beobachteten, dass DIP-Moleküle während des Wachstums einer DIP-Schicht einen strukturellen Übergang durchlaufen können, der mit einer Änderung dieses Winkels verbunden sein kann. Be schrieben wurde eine diesbezügliche Abhängigkeit vom jeweiligen Substrat sowie von der Tempera tur und der Wachstumsgeschwindigkeit. In vielen Fällen wurde die Bildung von Mischformen beo bachtet, bei denen DIP bereichsweise in liegender und bereichsweise in stehender Orientierung auf trat. Understanding growth phenomena is of great importance for many technical applications, including different single-crystal systems and thin layers. The growth of molecular systems is of particular interest. In contrast to atomic systems, not only adsorption states but also molecular orientations have to be taken into account. If molecules such as diindenoperylene (DIP) are deposited on surfaces, they can assume a lying and a standing orientation on the surfaces, as described, for example, by Ko- warik et al. in Phys. Rev. Lett. 96, 125504 (2006) and in Appl. Phys. A, 95, 2009, 233-239. DIP has a planar, elongated aromatic molecular structure derived from perylene in a planar region. Through the plane of this planar area, a C2 axis can be placed lengthways and crossways. The longer of the two axes, the longitudinal axis of the molecule, forms a larger angle with the surface in the standing orientation than in the lying orientation. Kowarik et al. observed that DIP molecules can undergo a structural transition during the growth of a DIP layer, which may be associated with a change in this angle. In this regard, a dependency on the respective substrate as well as on the temperature and the growth rate was described. In many cases, the formation of mixed forms was observed, in which DIP occurred in a lying and in a standing orientation.
Praktische Relevanz kann die Bildung liegender und stehender Orientierungen insbesondere bei der Bildung dünner Schichten aus organischen Halbleitermolekülen haben, beispielsweise beim Aufbau organischer Solarzellen oder organischer Feldeffekttransistoren. Von der Orientierung der Moleküle hängen in aller Regel maßgeblich die optischen Eigenschaften der Schichten ab. Im Umkehrschluss bedeutet dies, dass sich durch eine gezielte Einstellung der Orientierungen die optischen Eigenschaf ten einer Schicht aus organischen Halbleitern steuern lassen sollten. Es besteht entsprechend ein Bedarf an einer Vorgehensweise, die die gezielte Herstellung dünner Schichten aus organischen Halbleitermolekülen in einer der genannten Orientierungen, also liegend oder stehend, ermöglicht. The formation of horizontal and vertical orientations can be of practical relevance, in particular in the formation of thin layers of organic semiconductor molecules, for example in the construction of organic solar cells or organic field effect transistors. As a rule, the optical properties of the layers largely depend on the orientation of the molecules. Conversely, this means that the optical properties of a layer made of organic semiconductors should be controllable through a targeted adjustment of the orientations. There is accordingly a need for a procedure which enables the targeted production of thin layers of organic semiconductor molecules in one of the orientations mentioned, that is to say lying or standing.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung das Verfahren mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen vor. Auch das Substrat mit den Merkmalen des Anspruchs 10 ist von der Erfindung um fasst. Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen. To achieve this object, the invention proposes the method with the features mentioned in claim 1. The substrate with the features of claim 10 is also encompassed by the invention. Developments of the invention are the subject of dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren stellt überraschenderweise einen generischen Ansatz zur Ausbil dung einer kristallinen Schicht aus organischen Molekülen in einer liegenden Orientierung auf einer Oberfläche eines Substrats dar. Es umfasst stets die unmittelbar folgenden sechs Schritte a. bis f.: a. Bereitstellung des Substrats mit der zu beschichtenden Oberfläche in einerVakuumkammer, b. Bereitstellung einer Substanz aus organischen Molekülen, die The method according to the invention surprisingly represents a generic approach to the formation of a crystalline layer of organic molecules in a lying orientation on a surface of a substrate. It always comprises the immediately following six steps a. to f .: a. Providing the substrate with the surface to be coated in a vacuum chamber, b. Providing a substance from organic molecules that
in einem Planarbereich eine planare Molekülstruktur aufweisen  have a planar molecular structure in a planar region
und sich auf der Oberfläche in einer bei Raumtemperatur stabilen liegenden kristalli nen Anordnung und einer bei Raumtemperatur stabilen stehenden kristallinen Anord- nung anordnen können,  and can be arranged on the surface in a crystalline arrangement which is stable at room temperature and in a standing crystalline arrangement which is stable at room temperature,
in der Vakuumkammer oder einer daran gekoppelten Nebenkammer, c. Abkühlen des Substrats auf eine Abscheidungstemperatur im Bereich von - 50 °C bis -273 °C, d. mindestens teilweises Sublimieren oder Verdampfen der Substanz unter Überführung der organischen Moleküle in die Gasphase, e. Abscheiden der organischen Moleküle aus der Gasphase auf der abgekühlten Oberfläche des Substrats, f. Erwärmen des Substrats mit der beschichteten Oberfläche, ausgehend von der Abscheidungs temperatur, mit einer Erwärmungsrate von maximal 10 °C / min bis auf eine Maximaltempera tur > 0 °C und < der Schmelz- oder Sublimationstemperatur der Substanz.  in the vacuum chamber or a secondary chamber coupled to it, c. Cooling the substrate to a deposition temperature in the range of -50 ° C to -273 ° C, d. at least partial sublimation or evaporation of the substance with conversion of the organic molecules into the gas phase, e. Depositing the organic molecules from the gas phase on the cooled surface of the substrate, f. Heating the substrate with the coated surface, starting from the deposition temperature, with a heating rate of a maximum of 10 ° C / min to a maximum temperature> 0 ° C and <the melting or sublimation temperature of the substance.
Die Vakuumkammer ist in aller Regel an eine Hochvakuumquelle gekoppelt, mit deren Hilfe in der Vakuumkammer ein Vakuum von wenigstens 107 bar eingestellt werden kann. Ein entsprechender Aufbau, insbesondere auch ein Beispiel eines geeigneten Kühlsystems, wurde beispielsweise von Rit- ley et al. in Rev. Sei. Instr. 72 (2001), 1453, beschrieben. Die Substanz kann zum Zwecke des Sublimierens oder Verdampfens grundsätzlich mittels beliebiger Heizquellen erwärmt werden. Besonders bevorzugt wird eine elektrische Heizung verwendet, bei spielsweise ein in der Nebenkammer installierter Heizdraht. Sofern die Substanz in der Nebenkammer bereitgestellt wird, kann es bevorzugt sein, ein Ventil oder eine Schleuse zwischen der Vakuumkam mer und der Nebenkammer vorzusehen, um die Konzentration sublimierter oder verdampfter organi scher Moleküle in der Vakuumkammer besser steuern zu können. Sobald die sublimierten oder ver dampften Moleküle in der Vakuumkammer mit dem abgekühlten Substrat in Kontakt treten können, erfolgt die Abscheidung von ganz alleine, sie werden von dessen abgekühlter Oberfläche„eingefan gen“. The vacuum chamber is generally coupled to a high vacuum source, with the aid of which a vacuum of at least 10 7 bar can be set in the vacuum chamber. A corresponding structure, in particular also an example of a suitable cooling system, was developed, for example, by Ritley et al. in Rev. Instr. 72 (2001), 1453. For the purpose of sublimation or evaporation, the substance can in principle be heated by means of any heating sources. Electrical heating is particularly preferably used, for example a heating wire installed in the secondary chamber. If the substance is provided in the secondary chamber, it may be preferred to provide a valve or a lock between the vacuum chamber and the secondary chamber in order to be able to better control the concentration of sublimed or vaporized organic molecules in the vacuum chamber. As soon as the sublimed or evaporated molecules can come into contact with the cooled substrate in the vacuum chamber, the deposition takes place all by itself, they are “captured” by its cooled surface.
Unter der erwähnten generischen Anwendbarkeit ist zu verstehen, dass das Verfahrensergebnis grundsätzlich unabhängig von der stofflichen Beschaffenheit des Substrats und der verwendeten Substanz ist. Nach dem Erwärmungsprozess wird überraschenderweise stets die kristalline, liegende Orientierung erhalten. Dies war a priori keinesfalls zu erwarten. Allgemein gilt zwar, dass die liegende Orientierung bei Raumtemperatur thermodynamisch nicht bevorzugt ist. Hieraus lässt sich allerdings keinesfalls ableiten, dass sich die verwendeten Moleküle bei tiefen Temperaturen auch stets Moleküle in der liegenden Anordnung ausrichten. The generic applicability mentioned means that the process result is fundamentally independent of the material properties of the substrate and the substance used. Surprisingly, the crystalline, lying orientation is always obtained after the heating process. This was by no means to be expected a priori. In general, it is true that the lying orientation at room temperature is not thermodynamically preferred. However, it cannot be inferred from this that the molecules used always align molecules in the lying arrangement at low temperatures.
In Abhängigkeit der verwendeten Substanz weisen die abgeschiedenen Moleküle nach dem Erwär mungsschritt in der kristallinen Schicht in der Regel entweder eine sogenannte Herringbone-Packung (face-to-edge Konfiguration) auf oder sie lagern sich in parallel zueinander angeordneten Lagen (face- to-face Konfiguration) an. Dies lässt sich durch eine entsprechende Auswahl der Substanz steuern. Üblicherweise sind unterschiedliche kristalline Konfigurationen (Polymorphe) für dasselbe Molekül zu beobachten, weshalb sich die Kristallkonfiguration ggf. durch die Behandlungsparameter, üblicher weise die maximale Erwärmungstemperatur, steuern lässt. Depending on the substance used, the deposited molecules usually have a so-called herringbone packing (face-to-edge configuration) in the crystalline layer after the heating step or they are stored in layers arranged parallel to one another (face-to-face Configuration). This can be controlled by an appropriate selection of the substance. Different crystalline configurations (polymorphs) are usually observed for the same molecule, which is why the crystal configuration can possibly be controlled by the treatment parameters, usually the maximum heating temperature.
Bei dem erwähnten Planarbereich handelt es sich im einfachsten Fall um einen Benzylrest, weiter bevorzugt um ein kondensiertes aromatisches Ringsystem wie beispielsweise einen Naphtyl- oder Anthracylrest, oder ein größeres kondensiertes Ringsystem wie im Falle des eingangs erwähnten DIP. Auch Heteroaromaten mit Furan-, Thiophen-, Pyridin- oder Pyrrolgruppen sind geeignet. Auf beson ders bevorzugte Substanzen wird weiter unten noch eingegangen. In the simplest case, the planar region mentioned is a benzyl radical, more preferably a condensed aromatic ring system such as, for example, a naphthyl or anthracyl radical, or a larger condensed ring system as in the case of the DIP mentioned at the outset. Heteroaromatics with furan, thiophene, pyridine or pyrrole groups are also suitable. In particular preferred substances will be discussed below.
Eine Unterscheidung der liegenden und der stehenden Anordnung erfolgt bevorzugt mittels Röntgen strukturanalyse. Wie eingangs erwähnt, schließt im Fall von DIP die Molekül-Längsachse bei stehender Orientierung einen größeren Winkel mit der Oberfläche ein als bei liegender Orientierung. Die jeweili gen Winkel können allerdings variieren, insbesondere in Abhängigkeit der verwendeten Substanz. Allgemein gilt, dass sich in die Ebene jedes Planarbereichs Geraden legen lassen, die mit der Oberflä che einen Winkel einschließen. Bei diesen Geraden kann es sich im Fall symmetrischer Moleküle um Drehachsen handeln. Sowohl für die liegende als auch für die stehende Orientierung existiert dabei jeweils eine Gerade, bei der der jeweilige Winkel, den die Gerade mit der Oberfläche einschließt, ma ximal ist. Im Fall von DIP ist dies die Molekül-Längsachse. Allgemein gilt, dass im Fall der stehenden Orientierung der maximale Winkel, den diese eine Gerade mit der Oberfläche einschließt, größer ist als im Fall der liegenden Orientierung. A distinction between the lying and the standing arrangement is preferably made by means of X-ray structure analysis. As mentioned at the beginning, in the case of DIP the longitudinal axis of the molecule closes when it is stationary Orientation a larger angle with the surface than with lying orientation. However, the respective angle can vary, especially depending on the substance used. The general rule is that straight lines can be laid in the plane of each planar area that form an angle with the surface. In the case of symmetrical molecules, these straight lines can be axes of rotation. There is a straight line for both the lying and the standing orientation, in which the respective angle that the straight line forms with the surface is maximum. In the case of DIP, this is the longitudinal axis of the molecule. In general, the maximum angle that a straight line forms with the surface in the case of a standing orientation is greater than in the case of a lying orientation.
Der oben angegebene Bereich für die Abscheidungstemperatur ist sehr weit gefasst. In aller Regel ist ein Abkühlen des Substrats bis in Bereiche des absoluten Nullpunkts weder zum Erreichen des Verfah rensergebnisses erforderlich noch aus Kostengründen zweckmäßig. Idealerweise wird die Abschei dungstemperatur so gewählt, dass sie noch mit Hilfe von flüssigem Stickstoff erreicht werde kann. Sie liegt also bevorzugt im Bereich von -50 °C bis -196 °C. Innerhalb dieses Bereiches sind Bereiche von - 80 °C bis -196 °C, insbesondere von -80 °C bis -160 °C oder von -80 °C bis -120 °C, weiter bevorzugt. The range given above for the deposition temperature is very broad. As a rule, cooling the substrate down to areas of absolute zero is neither necessary to achieve the process result nor is it expedient for cost reasons. Ideally, the deposition temperature should be chosen so that it can still be achieved with the help of liquid nitrogen. It is therefore preferably in the range from -50 ° C to -196 ° C. Within this range, ranges from -80 ° C to -196 ° C, in particular from -80 ° C to -160 ° C or from -80 ° C to -120 ° C, are further preferred.
Das langsame Erwärmen im Schritt f. dient insbesondere der Unterdrückung unerwünscht starker Diffusionsprozesse. Eine zu hohe Erwärmungsrate über die genannten 10 °C / min ist der Einheitlich keit der gebildeten Anordnung nicht förderlich. In den meisten Fällen wird die Erwärmungsrate sogar tiefer gewählt. Bevorzugt beträgt sie maximal 5 °C / min, besonders bevorzugt maximal 4 °C / min, insbesondere maximal 2 °C / min. Slow heating in step f. serves in particular to suppress undesirably strong diffusion processes. A too high heating rate above the 10 ° C / min is not conducive to the uniformity of the arrangement formed. In most cases, the heating rate is chosen even lower. It is preferably a maximum of 5 ° C / min, particularly preferably a maximum of 4 ° C / min, in particular a maximum of 2 ° C / min.
Die Maximaltemperatur darf aus naheliegenden Gründen die Sublimations- oder Schmelztemperatur der jeweils verwendeten Substanz nicht überschreiten. Bevorzugt liegt sie mindestens 10 °C unter der Sublimations- oder Schmelztemperatur der jeweils verwendeten Substanz, besonders bevorzugt mindestens 25 °C, insbesondere mindestens 50 °C. Bevorzugt sind Maximaltemperaturen im Bereich von 40 °C bis 180 °C. Innerhalb dieses Bereiches sind Maximaltemperaturen im Bereich von 60 °C bis 180 °C oder im Bereich von 100 °C bis 180 °C, insbesondere im Bereich von 120 °C bis 160 °C, weiter bevorzugt. For obvious reasons, the maximum temperature must not exceed the sublimation or melting temperature of the substance used. It is preferably at least 10 ° C. below the sublimation or melting temperature of the substance used in each case, particularly preferably at least 25 ° C., in particular at least 50 ° C. Maximum temperatures in the range from 40 ° C. to 180 ° C. are preferred. Within this range, maximum temperatures in the range from 60 ° C. to 180 ° C. or in the range from 100 ° C. to 180 ° C., in particular in the range from 120 ° C. to 160 ° C., are further preferred.
Bei Beachtung der genannten Parameter zeichnet sich das beschichtete Substrat durch eine liegende kristalline Anordnung der abgeschiedenen Moleküle aus, die auch bei Raumtemperatur und Raumluft stabil ist. ln bevorzugten Weiterbildungen zeichnet sich das Verfahren durch mindestens eines der fünf unmit telbar folgenden zusätzlichen Merkmale a. bis e. aus: a. Die Oberfläche des Substrats, auf der die kristalline Schicht aus organischen Molekülen aus gebildet wird, ist planar, besonders bevorzugt ist die Oberfläche eine planare Oberfläche eines Wafers, eines Sensors oder einer Elektrode. b. Die Oberfläche des Substrats, auf der die die kristalline Schicht aus organischen Molekülen ausgebildet wird, weist eine maximale Rautiefe Rzlmax von 5 nm, weiter bevorzugt von 4 nm, auf. c. Die Oberfläche des Substrats besteht aus einem Metall, insbesondere aus der Gruppe mit Au (Gold), Ag (Silber), Cu (Kupfer ) und Si (Silizium) oder einem Metalloxid, insbesondere aus der Gruppe mit SiOx mit 1 > x < 2, Indiumzinnoxid (ITO) und Aluminiumoxid, insbesondere Korund, oder einer Kohlenstoffmodifikation wie z.B. Graphit. d. Die Oberfläche des Substrats ist bereits mit organischen Halbleitermolekülen vorbeschichtet. e. Die Oberfläche des Substrats ist vorbehandelt, insbesondere oxidiert, hydrophilisiert oder hydrophobisiert, beispielsweise mittels Tetratetracontane. If the parameters mentioned are observed, the coated substrate is characterized by a lying crystalline arrangement of the deposited molecules, which is stable even at room temperature and ambient air. In preferred developments, the method is characterized by at least one of the five immediately following additional features a. to e. from: a. The surface of the substrate on which the crystalline layer of organic molecules is formed is planar; the surface is particularly preferably a planar surface of a wafer, a sensor or an electrode. b. The surface of the substrate on which the crystalline layer of organic molecules is formed has a maximum roughness depth Rzlmax of 5 nm, more preferably 4 nm. c. The surface of the substrate consists of a metal, in particular from the group with Au (gold), Ag (silver), Cu (copper) and Si (silicon) or a metal oxide, in particular from the group with SiO x with 1> x <2 , Indium tin oxide (ITO) and aluminum oxide, in particular corundum, or a carbon modification such as graphite. d. The surface of the substrate is already precoated with organic semiconductor molecules. e. The surface of the substrate is pretreated, in particular oxidized, hydrophilized or hydrophobized, for example by means of tetratetracontane.
Besonders bevorzugt sind die Merkmale a. bis c. oder a. bis d. in Kombination miteinander realisiert. Features a are particularly preferred. to c. or a. to d. realized in combination with each other.
Die angegebenen Werte für die maximale Rautiefe beziehen sich bevorzugt auf gemäß DIN EN ISO 4287:2010-0 bestimmte Werte. The specified values for the maximum roughness depth refer preferably to values determined in accordance with DIN EN ISO 4287: 2010-0.
Die Vorbeschichtung mit organischen Halbleitermolekülen kann insbesondere bei der Herstellung organischer Elektronik- oder Photovoltaikkomponenten bevorzugt sein. Es entstehen dann Struktu ren mit zwei oder mehr Schichten aus organischen Halbleitern. The precoating with organic semiconductor molecules can be preferred in particular in the production of organic electronics or photovoltaic components. Structures are then created with two or more layers of organic semiconductors.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei der zu beschichtenden Oberflä che um eine in einer Sauerstoffatmosphäre künstlich oxidierte Siliziumoberfläche. In a particularly preferred embodiment, the surface to be coated is a silicon surface artificially oxidized in an oxygen atmosphere.
In weiteren bevorzugten Weiterbildungen zeichnet sich das Verfahren durch mindestens eines der fünf unmittelbar folgenden zusätzlichen Merkmale a. bis e. aus: a. Das Substrat wird in der Vakuumkammer an einem Halter fixiert, der mit einer Kühlmittelquel le gekoppelt ist. b. Vor der Abscheidung der Moleküle wird in der Vakuumkammer ein Unterdrück < 107 mbar, bevorzugt von < 5*108 mbar, eingestellt. c. Der Unterdrück bleibt während des Abscheidungsvorgangs konstant oder wird niedriger. d. Während des Abscheidungsvorgangs wird eine Abscheidungsrate von nicht weniger als 0,02 nm /min und/oder eine Abscheidungsrate von maximal 2 nm / min, insbesondere eine Ab scheidungsrate im Bereich von 0,02 nm / min bis 2 nm / min, eingestellt. e. Die Maximaltemperatur wird über einen Zeitraum von bis zu 72 h, bevorzugt von bis zu 12 h, besonders bevorzugt von bis zu 1 h, insbesondere von bis zu 10 min, gehalten. In further preferred developments, the method is characterized by at least one of the five immediately following additional features a. to e. out: a. The substrate is fixed in the vacuum chamber on a holder which is coupled to a coolant source. b. Before the molecules are deposited, a vacuum of <10 7 mbar, preferably of <5 * 10 8 mbar, is set in the vacuum chamber. c. The suppression remains constant or becomes lower during the deposition process. d. During the deposition process, a deposition rate of not less than 0.02 nm / min and / or a deposition rate of at most 2 nm / min, in particular a deposition rate in the range from 0.02 nm / min to 2 nm / min, is set. e. The maximum temperature is maintained over a period of up to 72 h, preferably up to 12 h, particularly preferably up to 1 h, in particular up to 10 min.
Besonders bevorzugt sind zumindest die Merkmale a., b., d. und e., insbesondere alle Merkmale a. bis e., in Kombination miteinander realisiert. At least the features a., B., D. and e., in particular all features a. to e., realized in combination with each other.
Bevorzugte Vorgehensweisen bei der Kühlung des Substrats sind in der bereits erwähnten Veröffentli chung von von Ritley et al. beschrieben. Preferred procedures for cooling the substrate are described in the publication by Ritley et al. described.
Es kann bevorzugt sein, dass der in der Vakuumkammer eingestellte Unterdrück auch noch während des oben beschriebenen Erwärmungsschritts gehalten wird. Zwingend erforderlich ist das aber nicht. Vorzugsweise sollte das Eindringen von Sauerstoff in die Unterdruckkammer während des Erwär mungsschritts unterbunden werden. Dies kann beispielsweise auch durch Fluten der Vakuumkammer mit einem inerten Schutzgas realisiert werden. It may be preferred that the negative pressure set in the vacuum chamber is also maintained during the heating step described above. But this is not absolutely necessary. Preferably, the ingress of oxygen into the vacuum chamber should be prevented during the heating step. This can also be achieved, for example, by flooding the vacuum chamber with an inert protective gas.
Ein Absinken der Wachstumsrate unter die Untergrenze von 0,02 nm / min sollte in vielen Fällen ver mieden werden. Ein zu langsames Wachstum kann die Bildung stehender kristalliner Anordnungen fördern. A drop in the growth rate below the lower limit of 0.02 nm / min should be avoided in many cases. Too slow growth can promote the formation of standing crystalline arrays.
In weiteren bevorzugten Weiterbildungen zeichnet sich das Verfahren durch mindestens eines der fünf unmittelbar folgenden zusätzlichen Merkmale a. bis g. aus: a. Bei den organischen Molekülen handelt es sich um Moleküle mit Halbleitereigenschaften. b. Bei den organischen Molekülen handelt es sich um aniosotrope Moleküle. c. Bei der in dem Teilbereich planaren Molekülstruktur handelt es sich um eine aromatische Struktur. d. Bei den organischen Molekülen handelt es sich um Moleküle mir einer polycyclischen Ringstruktur, insbesondere einer polycyclischen aromatischen Ringstruktur, insbesondere ei ner kondensierten polycyclischen aromatischen Ringstruktur. e. Bei den organischen Molekülen handelt es sich um Moleküle mit einem linear kondensierten Ringsystem, insbesondere um ein Oligoacene aus der Gruppe mit Anthracen, Anthracen- Derivaten, Tetracen, Tetracen-Derivaten, Pentacen, Pentacen-Derivaten (z.B. Chinacridon), Carbazol und Carbazol-Derivaten. f. Bei den organischen Molekülen handelt es sich um Moleküle mit einem zweidimensional kon densierten Ringsystem, insbesondere um ein Molekül aus der Gruppe mit Perylen oder einem Perylen-Derivat (z.B. DIP oder 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA)), Triphe- nylen (9,10-Benzophenanthren) oder einem Triphenylen-Derivat, Coronen oder einem Coro- nen-Derivat (z.B. Hexabenzocoronen). g. Bei den organischen Molekülen handelt es sich um Moleküle mit einer Molmasse von bis zu 750 g/mol. In further preferred developments, the method is characterized by at least one of the five immediately following additional features a. to g. from: a. The organic molecules are molecules with semiconductor properties. b. The organic molecules are aniosotropic molecules. c. The molecular structure in the subarea is an aromatic structure. d. The organic molecules are molecules with a polycyclic ring structure, in particular a polycyclic aromatic ring structure, in particular a condensed polycyclic aromatic ring structure. e. The organic molecules are molecules with a linearly condensed ring system, in particular an oligoacene from the group with anthracene, anthracene derivatives, tetracene, tetracene derivatives, pentacene, pentacene derivatives (for example quinacridone), carbazole and carbazole derivatives , f. The organic molecules are molecules with a two-dimensional condensed ring system, in particular a molecule from the group with perylene or a perylene derivative (for example DIP or 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic acid dianhydride (PTCDA)), triphe- nylene (9,10-benzophenanthrene) or a triphenylene derivative, coronene or a coronene derivative (eg hexabenzocoronene). G. The organic molecules are molecules with a molecular weight of up to 750 g / mol.
Besonders bevorzugt sind zumindest die Merkmale a., b., c. und e. oder a., b., c. und f. in Kombination miteinander realisiert. At least the features a., B., C. Are particularly preferred. and e. or a., b., c. and f. realized in combination with each other.
In einigen besonders bevorzugten Ausführungsformen kann es sich bei der Substanz auch um Rubren oder ein Rubren-Derivat, Sexithiophen oder ein Sexithiophen-Derivat oder um ein Polythiophen ein Polythiophen-Derivat, letztere insbesondere mit einer Kettenlänge von bis zu 8 Molekülen, insbeson dere mit einer Kettenlänge von 5 bis 8 Thiophenmolekülen. In some particularly preferred embodiments, the substance may also be rubrene or a rubrene derivative, sexithiophene or a sexithiophene derivative or a polythiophene a polythiophene derivative, the latter in particular with a chain length of up to 8 molecules, in particular with one Chain length from 5 to 8 thiophene molecules.
Das Molgewicht der organischen Moleküle ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung grundsätzlich nicht kritisch. Allerdings sollten die Moleküle sublimierbar oder verdam pf bar sein. Dies ist bei der be vorzugten Obergrenze von 750 g/mol in aller Regel gegeben. The molecular weight of the organic molecules is fundamentally not critical in the context of the present invention. However, the molecules should be sublimable or evaporable. This is usually the case with the preferred upper limit of 750 g / mol.
Erfindungsgemäß besonders bevorzugt werden Moleküle mit einem linear kondensierten Ringsystem gemäß vorstehendem Merkmal e. und einer Molmasse im Bereich von 200 g/mol bis 750 g/mol, weiter bevorzugt im Bereich von 220 g/mol bis 600 g/mol, eingesetzt. ln weiteren besonders bevorzugten Ausführungsformen werden Moleküle mit einem zweidimensional kondensierten Ringsystem gemäß vorstehendem Merkmal f. und einer Molmasse im Bereich von 220 g/mol bis 750 g/mol, weiter bevorzugt im Bereich von 250 g/mol bis 600 g/mol, eingesetzt. According to the invention, particular preference is given to molecules with a linearly condensed ring system in accordance with feature e above. and a molar mass in the range from 200 g / mol to 750 g / mol, more preferably in the range from 220 g / mol to 600 g / mol. In further particularly preferred embodiments, molecules with a two-dimensional condensed ring system according to feature f. and a molar mass in the range from 220 g / mol to 750 g / mol, more preferably in the range from 250 g / mol to 600 g / mol.
Wie oben ausgeführt, lässt sich durch eine entsprechende Auswahl der im erfindungsgemäßen Verfah ren verwendeten Substanz steuern, in welcher Konfiguration die abgeschiedenen Moleküle in der kristallinen Schicht vorliegen. Eine face-to-edge Konfiguration lässt sich beispielsweise mit DIP erhal ten, eine face-to-face Konfiguration mit PTCDA. As stated above, the configuration in which the deposited molecules are present in the crystalline layer can be controlled by an appropriate selection of the substance used in the process according to the invention. A face-to-edge configuration can be obtained with DIP, for example, and a face-to-face configuration with PTCDA.
Das gemäß dem beschriebenen Verfahren erhältliche Substrat zeichnet sich durch eine Oberfläche aus, auf der eine kristalline Schicht aus den beschriebenen organischen Molekülen abgeschieden ist, wobei die Moleküle die gleichfalls beschriebene liegende Orientierung aufweisen. The substrate obtainable according to the described method is distinguished by a surface on which a crystalline layer composed of the described organic molecules is deposited, the molecules having the lying orientation likewise described.
Die Krista lli nität der Schicht kann in aller Regel durch Röntgenbeugungsuntersuchungen einwandfrei nachgewiesen werden. In Folge der Kristallinität sind die beispielsweise mittels oberflächensensitiver Röntgenbeugung erhaltenen Bragg-Peaks verbreitert, sie sind über Kristall-Abbruch-Stäbe (engl.: „crystal truncation rods“) miteinander verbunden. Die Schicht weist anisotrope optische Eigenschaf ten auf. Sie eignet sich entsprechend insbesondere für diverse optoelektronische Anwendungen. The crystallinity of the layer can usually be proven by X-ray diffraction tests. As a result of the crystallinity, the Bragg peaks obtained, for example, by means of surface-sensitive X-ray diffraction, are broadened and are connected to one another by means of crystal truncation rods. The layer has anisotropic optical properties. Accordingly, it is particularly suitable for various optoelectronic applications.
In bevorzugten Weiterbildungen zeichnet sich das Substrat durch mindestens eines der zwei unmit telbar folgenden zusätzlichen Merkmale a. und b. aus: a. Die Schicht weist eine Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 200 nm, besonders bevorzugt im Bereich von 1 nm bis 100 nm, auf. b. Das Substrat ist Bestandteil eines optoelektronischen Geräts. In preferred developments, the substrate is characterized by at least one of the two immediately following additional features a. and b. from: a. The layer has a layer thickness in the range from 1 nm to 200 nm, particularly preferably in the range from 1 nm to 100 nm. b. The substrate is part of an optoelectronic device.
Besonders bevorzugt sind beide Merkmale a. und b. in Kombination miteinander realisiert. Both features a are particularly preferred. and b. realized in combination with each other.
Weitere Merkmale der Erfindung sowie aus der Erfindung resultierende Vorteile ergeben sich aus dem nachfolgenden Ausführungsbeispiel, anhand dessen die Erfindung erläutert wird. Die nachfolgend beschriebene Ausführungsform dient lediglich zur Erläuterung und zum besseren Verständnis der Erfindung und ist in keiner Weise einschränkend zu verstehen. ln einer mit flüssigem Stickstoff kühlbaren Vakuumkammer (analog zu dem von Ritley et al. in Rev. Sei. Instr. 72 (2001), 1453, beschriebenen Aufbau) wird ein Siliziumsubstrat, das eine natürlich oxidier te Oberfläche aufweist, durch Verklebung mit einer ausreichenden Menge Silberleitlack auf einem Probenhalter fixiert. Danach wird die Kammer mittels einer Hochvakuumpumpe evakuiert. Es wird ein Unterdrück von 1 -2*108 mbar eingestellt. Der Probenhalter und damit auch das Substrat sind über Rohrverbindungen mit dem flüssigen Stickstoff kühlbar. Die Kühlung wird eingeleitet und fortgeführt, bis sich die Temperatur des Substrats bei -150 °C stabilisiert hat. Further features of the invention and advantages resulting from the invention result from the following exemplary embodiment, on the basis of which the invention is explained. The embodiment described below is used only for explanation and for a better understanding of the invention and is in no way to be understood as limiting. In a vacuum chamber which can be cooled with liquid nitrogen (analogous to the structure described by Ritley et al. in Rev. Sei. Instr. 72 (2001), 1453), a silicon substrate which has a naturally oxidized surface is bonded with a sufficient amount of adhesive Quantity of conductive silver varnish fixed on a sample holder. The chamber is then evacuated using a high vacuum pump. A suppression of 1 -2 * 10 8 mbar is set. The sample holder and thus also the substrate can be cooled with the liquid nitrogen via pipe connections. Cooling is initiated and continued until the temperature of the substrate has stabilized at -150 ° C.
In einem weiteren Schritt folgt die Abscheidung von "Diindenoperylen" (DIP) mittels "Organic Molecular Beam Deposition" (OMBD) auf der oxidierten Oberfläche des abgekühlten Substrats. Hierzu wird in einer mit der Vakuumkammer gekoppelten Nebenkammer DIP mit Hilfe einer elektrischen Heizung sublimiert. In der Gasphase befindliche DIP-Moleküle verlieren, wenn sie auf das Substrat treffen, in Folge der tiefen Substrattemperatur schlagartig ihre kinetische Energie, was dazu führt, dass auf dem Substrat jegliche Diffusionsprozesse minimiert sind. Der Abscheidungsprozess wird fort gesetzt, bis sich auf der Oberfläche eine Schicht aus DIP-Molekülen von ca. 15 nm abgeschieden hat. In a further step, "Diindenoperylene" (DIP) is deposited by means of "Organic Molecular Beam Deposition" (OMBD) on the oxidized surface of the cooled substrate. For this purpose, an auxiliary heater is used to sublimate DIP in a secondary chamber coupled to the vacuum chamber. When in contact with the substrate, DIP molecules in the gas phase suddenly lose their kinetic energy due to the low substrate temperature, which means that any diffusion processes on the substrate are minimized. The deposition process continues until a layer of DIP molecules of approximately 15 nm has deposited on the surface.
Die kristalline Anordnung so eingefangener Moleküle auf der Substratoberfläche ist zunächst noch sehr gering, gegebenenfalls ist die abgeschiedene Schicht zu diesem Zeitpunkt sogar noch vollständig amorph. Es folgt nun ein Erwärmungsschritt, bei dem das beschichtete Substrat mit einer Erwär mungsrate von 2-3 °C / Minute elektrisch erwärmt wird. Die Erwärmung wird durchgeführt, bis eine Temperatur von 140 °C erreicht ist. Hierbei wird der Schicht nach und nach immer mehr thermische Energie zur Verfügung gestellt. Damit setzen gesteuert Diffusionsprozesse ein und die Moleküle kön nen sich in der gewünschten kristallinen Anordnung orientieren, die z.B. mit Hilfe von Röntgenbeu gungsuntersuchungen nachgewiesen werden kann. The crystalline arrangement of molecules captured in this way on the substrate surface is initially very small, and the deposited layer may even be completely amorphous at this point in time. There now follows a heating step in which the coated substrate is electrically heated at a heating rate of 2-3 ° C / minute. The heating is carried out until a temperature of 140 ° C is reached. The layer is gradually being provided with more and more thermal energy. Diffusion processes are then used in a controlled manner and the molecules can orient themselves in the desired crystalline arrangement, e.g. can be demonstrated with the help of X-ray examinations.
Durchaus überraschend ist nicht nur, dass sich die DIP-Moleküle stets spontan in der liegenden Orien tierung ausrichten. Vielmehr ist auch überraschend, dass die Moleküle trotz des Erwärmungsschritts die beschriebene liegende Orientierung beibehalten. Es wird vermutet, dass die Umwandlung in eine stehende Anordnung kinetisch gehindert ist. Bei dem langsamen Aufwärm prozess wird den Molekülen hierfür nicht genug thermische Energie zur Verfügung gestellt. It is not only surprising that the DIP molecules always orient themselves spontaneously in the horizontal orientation. Rather, it is also surprising that the molecules maintain the described orientation in spite of the heating step. It is believed that the conversion to a standing arrangement is kinetically hindered. With the slow warm-up process, the molecules are not provided with enough thermal energy for this.
Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass sich gemäß dem beschriebenen Verfahren auf Substrat oberflächen bei sehr tiefen Temperaturen die Bildung von Schichten aus organischen Molekülen in duzieren lässt, wobei die Moleküle sich stets in einer liegenden Orientierung ausrichten und idealer- weise die Schichten unmittelbar nach der Abscheidung zunächst weitgehend amorph, gegebenenfalls sogar vollständig amorph, sind. Durch die anschließende Erwärmung wird ein gradueller Übergang zu einer vollkommen kristallinen Struktur erzeugt, während die liegende Orientierung verbleibt. Sowohl die Kristallstruktur als auch die liegende Orientierung bleiben bei Raumtemperatur und beim Kontakt mit Raumluft unverändert. In summary, it can be stated that according to the method described, the formation of layers of organic molecules can be induced on substrate surfaces at very low temperatures, the molecules always aligning themselves in a lying orientation and ideally the layers are initially largely amorphous, possibly even completely amorphous, immediately after the deposition. The subsequent heating creates a gradual transition to a completely crystalline structure, while the lying orientation remains. Both the crystal structure and the horizontal orientation remain unchanged at room temperature and when in contact with room air.
Eine anschauliche Illustration der gemäß der beschriebenen Erfindung möglichen Orientierungskon trolle und induzierten kristallinen Anordnung findet sich in Fig. 1. A vivid illustration of the possible orientation control and induced crystalline arrangement according to the described invention can be found in FIG. 1.
In der oberen Hälfte von Fig. 1 sind ein Streuungsmuster (links, l.a, gemessen) einer kristallinen Schicht aus DIP-Molekülen in stehender Anordnung sowie ein Vergleich optischer Eigenschaften (rechts, l.b, aus der Veröffentlichung von U. Heinemeyer et al. Phys. Rev. B 78 (2008), 085210) kristalli ner Schichten mit DIP-Molekülen in stehender Orientierung dargestellt. Das Streuungsmuster lässt sich mit der "stehend-orientierten" DIP Einheitszelle simulieren: die dreistelligen Zahlen stellen die Miller Indices zur Bezeichnung der unterschiedlichen kristallinen Ebenen dar. Die "out-of-plane" (d.h. senkrecht zum Substrat) Komponente des Imaginärteils der dielektrischen Funktion ist viel stärker als die "in-plane" (d.h. parallel zum Substrat) Komponente: das liegt an der Orientierung des Übergangs dipolmoments ("mu") des Einzelmoleküls. The upper half of FIG. 1 shows a scattering pattern (left, la, measured) of a crystalline layer of DIP molecules in a standing arrangement and a comparison of optical properties (right, lb, from the publication by U. Heinemeyer et al. Phys. Rev. B 78 (2008), 085210) crystalline layers with DIP molecules in a standing orientation. The scatter pattern can be simulated with the "standing-oriented" DIP unit cell: the three-digit numbers represent the Miller indices for the designation of the different crystalline levels. The "out-of-plane" (ie perpendicular to the substrate) component of the imaginary part of the dielectric function is much stronger than the "in-plane" (ie parallel to the substrate) component: this is due to the orientation of the transition dipole moment ("mu") of the single molecule.
In der unteren Hälfte von Fig. 1 sind ein Streuungsmuster (links, l.c, gemessen) einer kristallinen Schicht aus DIP-Molekülen in liegender Anordnung sowie ein Vergleich optischer Eigenschaften (rechts, l.d) kristalliner Schichten mit DIP-Molekülen in liegender Orientierung dargestellt. Das Streu ungsmuster weicht deutlich von dem in der oberen Hälfte von Fig. 1 dargestellten ab. Dies lässt sich mit der liegenden Orientierung der DIP-Moleküle erklären. Die optischen Eigenschaften sind reziprok zu denen von Kristallen aus stehenden DIP-Molekülen. Die "in-plane" (d.h. parallel zum Substrat) Komponente des Imaginärteils der dielektrischen Funktion ist hier viel stärker als die "out-of-plane" (d.h. senkrecht zum Substrat) Komponente. The lower half of FIG. 1 shows a scatter pattern (left, l.c, measured) of a crystalline layer of DIP molecules in a lying arrangement and a comparison of optical properties (right, l.d) of crystalline layers with DIP molecules in a lying orientation. The scatter pattern differs significantly from that shown in the upper half of FIG. 1. This can be explained by the horizontal orientation of the DIP molecules. The optical properties are reciprocal to those of crystals made from standing DIP molecules. The "in-plane" (i.e. parallel to the substrate) component of the imaginary part of the dielectric function is much stronger here than the "out-of-plane" (i.e. perpendicular to the substrate) component.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Ausbildung einer kristallinen Schicht aus organischen Molekülen auf einer Ober fläche eines Substrats mit den Schritten a. Bereitstellung des Substrats mit der zu beschichtenden Oberfläche in einer Vakuumkam mer, b. Bereitstellung einer Substanz aus organischen Molekülen, die 1. A method for forming a crystalline layer of organic molecules on a surface of a substrate with the steps a. Provision of the substrate with the surface to be coated in a vacuum chamber, b. Providing a substance from organic molecules that
• in einem Planarbereich eine planare Molekülstruktur aufweisen  • have a planar molecular structure in a planar region
• und sich auf der Oberfläche in einer bei Raumtemperatur stabilen liegenden kristalli nen Anordnung und einer bei Raumtemperatur stabilen stehenden kristallinen Anord- nung anordnen können,  And can be arranged on the surface in a crystalline arrangement which is stable at room temperature and in a standing crystalline arrangement which is stable at room temperature,
in der Vakuumkammer oder einer daran gekoppelten Nebenkammer, c. Abkühlen des Substrats auf eine Abscheidungstemperatur im Bereich von -50 °C bis -273 in the vacuum chamber or a secondary chamber coupled to it, c. Cooling the substrate to a deposition temperature in the range from -50 ° C to -273
°C, d. mindestens teilweises Sublimieren oder Verdampfen der Substanz unter Überführung der Moleküle in die Gasphase, e. Abscheiden der organischen Moleküle aus der Gasphase auf der abgekühlten Oberfläche des Substrats, f. Erwärmen des Substrats mit der beschichteten Oberfläche, ausgehend von der Abschei dungstemperatur, mit einer Erwärmungsrate von maximal 10 °C / min bis auf eine Maximal temperatur > 0 °C und < der Schmelz- oder Sublimationstemperatur der Substanz. ° C, d. at least partial sublimation or evaporation of the substance with conversion of the molecules into the gas phase, e. Depositing the organic molecules from the gas phase on the cooled surface of the substrate, f. Heating the substrate with the coated surface, starting from the deposition temperature, with a heating rate of a maximum of 10 ° C / min to a maximum temperature> 0 ° C and <the melting or sublimation temperature of the substance.
2. Verfahren nach Anspruch 1 mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Das Substrat mit der beschichteten Oberfläche wird auf eine Maximaltemperatur im Be reich von 40 °C bis 180 °C erwärmt. 2. The method of claim 1 with the following additional feature: a. The substrate with the coated surface is heated to a maximum temperature in the range from 40 ° C to 180 ° C.
3. Verfahren nach Anspruch 1 mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Das Substrat mit der beschichteten Oberfläche wird auf eine Maximaltemperatur im Be reich von 100 °C bis 180 °C erwärmt. 3. The method of claim 1 with the following additional feature: a. The substrate with the coated surface is heated to a maximum temperature in the range from 100 ° C to 180 ° C.
4. Verfahren nach Anspruch 1 mit den folgenden zusätzlichen Merkmalen: a. Die Oberfläche des Substrats, auf der die kristalline Schicht aus organischen Molekülen ausgebildet wird, ist planar. b. Die Oberfläche des Substrats, auf der die die kristalline Schicht aus organischen Molekülen ausgebildet wird, weist eine maximale Rautiefe Rzlmax von 5 nm auf. 4. The method of claim 1 with the following additional features: a. The surface of the substrate on which the crystalline layer of organic molecules is formed is planar. b. The surface of the substrate on which the crystalline layer of organic molecules is formed has a maximum roughness depth Rzlmax of 5 nm.
5. Verfahren nach Anspruch 1 mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Die Oberfläche des Substrats besteht aus einem Metall, insbesondere aus der Gruppe mit Au (Gold), Ag (Silber), Cu (Kupfer ) und Si (Silizium) oder einem Metalloxid, insbesondere aus der Gruppe mit SiOx mit 1 > x < 2, Indiumzinnoxid (ITO) und Aluminiumoxid, insbeson dere Ko-rund, oder einer Kohlenstoffmodifikation wie z.B. Graphit. 5. The method of claim 1 with the following additional feature: a. The surface of the substrate consists of a metal, in particular from the group with Au (gold), Ag (silver), Cu (copper) and Si (silicon) or a metal oxide, in particular from the group with SiOx with 1> x <2, Indium tin oxide (ITO) and aluminum oxide, in particular Ko-rund, or a carbon modification such as Graphite.
6. Verfahren nach Anspruch 1 mit dem folgenden zusätzlichen Merkmal: a. Die Oberfläche des Substrats ist bereits mit organischen Halbleitermolekülen vorbeschich tet. b. Die Oberfläche des Substrats ist vorbehandelt, insbesondere oxidiert, hydrophilisiert oder hydrophobisiert. 6. The method of claim 1 with the following additional feature: a. The surface of the substrate is already precoated with organic semiconductor molecules. b. The surface of the substrate is pretreated, in particular oxidized, hydrophilized or hydrophobized.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Das Substrat wird in derVakuumkammer an einem Halter fixiert, der mit einer Kühlmittel quelle gekoppelt ist. b. Vor der Abscheidung der Moleküle wird in derVakuumkammer ein Unterdrück von mindes tens 107 mbar, bevorzugt von mindestens 5*108 mbar, eingestellt. c. Der Unterdrück bleibt während des Abscheidungsvorgangs konstant oder wird niedriger. d. Die Maximaltemperatur wird über einen Zeitraum von bis zu 72 h, bevorzugt von bis zu 12 h, besonders bevorzugt von bis zu 1 h, insbesondere von bis zu 10 min, gehalten. 7. The method according to any one of the preceding claims with at least one of the following additional features: a. The substrate is fixed in the vacuum chamber on a holder which is coupled to a coolant source. b. Before the molecules are deposited, a vacuum of at least 10 7 mbar, preferably of at least 5 * 10 8 mbar, is set in the vacuum chamber. c. The suppression remains constant or becomes lower during the deposition process. d. The maximum temperature is maintained over a period of up to 72 h, preferably up to 12 h, particularly preferably up to 1 h, in particular up to 10 min.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Während des Abscheidungsvorgangs wird eine Abscheidungsrate im Bereich von 0,02 nm / min bis 2 nm / min eingestellt. 8. The method according to any one of the preceding claims with at least one of the following additional features: a. A deposition rate in the range of 0.02 nm / min to 2 nm / min is set during the deposition process.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Bei den organischen Molekülen handelt es sich um Moleküle mit Halbleitereigenschaften. b. Bei den organischen Molekülen handelt es sich um aniosotrope Moleküle. c. Bei der in dem Teilbereich planaren Molekülstruktur handelt es sich um eine aromatische Struktur. d. Bei den organischen Molekülen handelt es sich um Moleküle mir einer polycyclischen Ringstruktur, insbesondere einer polycyclischen aromatischen Ringstruktur, insbesondere einer kondensierten polycyclischen aromatischen Ringstruktur. e. Bei den organischen Molekülen handelt es sich um Moleküle mit einem linear kondensier ten Ringsystem, insbesondere um ein Oligoacene aus der Gruppe mit Anthracen, Anth- racen-Derivaten, Tetracen, Tetracen-Derivaten, Pentacen, Pentacen-Derivaten, Carbazol und Carbazol-Derivaten. f. Bei den organischen Molekülen handelt es sich um Moleküle mit einem zweidimensional kondensierten Ringsystem, insbesondere um ein Molekül aus der Gruppe mit Perylen oder einem Perylen-Derivat, Triphenylen oder einem Triphenylen-Derivat, Coronen oder einem Coronen-Derivat. g. Bei den organischen Molekülen handelt es sich um Moleküle mit einer Molmasse von bis zu 750 g/mol. 9. The method according to any one of the preceding claims with at least one of the following additional features: a. The organic molecules are molecules with semiconductor properties. b. The organic molecules are aniosotropic molecules. c. The molecular structure in the subarea is an aromatic structure. d. The organic molecules are molecules with a polycyclic ring structure, in particular a polycyclic aromatic ring structure, in particular a condensed polycyclic aromatic ring structure. e. The organic molecules are molecules with a linearly condensed ring system, in particular an oligoacene from the group with anthracene, anthropene derivatives, tetracene, tetracene derivatives, pentacene, pentacene derivatives, carbazole and carbazole derivatives. f. The organic molecules are molecules with a two-dimensional condensed ring system, in particular a molecule from the group with perylene or a perylene derivative, triphenylene or a triphenylene derivative, corones or a coronene derivative. G. The organic molecules are molecules with a molecular weight of up to 750 g / mol.
10. Substrat mit einer Oberfläche, auf der eine kristalline Schicht aus organischen Molekülen abge schieden ist, wobei die Moleküle eine liegende Orientierung aufweisen und wobei die Schicht gemäß einem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellt ist. 10. A substrate with a surface on which a crystalline layer of organic molecules is deposited, the molecules having a lying orientation and the layer being produced according to a method according to one of the preceding claims.
11. Substrat nach Anspruch 10 mit mindestens einem der folgenden zusätzlichen Merkmale: a. Die Schicht weist eine Schichtdicke im Bereich von 1 nm bis 200 nm auf. b. Das Substrat ist Bestandteil eines optoelektronischen Geräts. 11. The substrate of claim 10 with at least one of the following additional features: a. The layer has a layer thickness in the range from 1 nm to 200 nm. b. The substrate is part of an optoelectronic device.
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