Transiente Oberflächenpotenziale an Grenzflächen und Molekülen
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes gelang es die zeitaufgelöste Kelvin-Rasterkraftmikroskopie (engl.: time-resolved Kelvin-probe force microscopy, tr-KPFM) zu entwickeln. Die Methode kombiniert KPFM mit einem Pump-Probe-Ansatz, um so in stroboskopischer Art und Weise die durch einen Pump-Puls erzeugte zeitlich veränderliche Kontaktpotenzialdifferenz als Funktion der Verzögerungszeit des Probe-Pulses zu vermessen. Die Methode wurde umfangreich charakterisiert, so dass ein profundes theoretisches Verständnis des zu Grunde liegenden Messvorganges erreicht werden konnte. Die Limiten hinsichtlich Zeitauflösung, Signal-zu-Rausch-Verhältnis und Repetitionsfrequenz der stroboskopischen Anregung wurden ermittelt und Handlungsempfehlungen für die Durchführung der tr-KPFM-Methode aufgestellt. So sollte für ein optimales Signal-zu-Rausch Verhältnis ein möglichst großer Tastgrad der Probe-Pulse gewählt werden. Für die optimale Zeitauflösung sollte daher die Repetitionsfrequenz so angepasst werden, dass möglichst wenig "Totzeiten" - d.h. Zeiten ohne zeitliche Veränderung des Oberflächenpotenzials - entstehen. Dem Messprozess geschuldet, entstehen deutliche Topographieartefakte, falls für die tr-KPFM- Methode nur ein Kelvinregelkreis verwendet wird. Um dieses Problem zu lösen, wurde im Rahmen des Projektes die duale tr-KPFM-Methode etabliert, bei der zwei Kelvinregelkreise gleichzeitig arbeiten. Der erste Regelkreis arbeitet dabei rein stroboskopisch - d.h. sowohl Anregungsspannung als auch Kelvinbiasspannung werden gepulst angelegt. Der zweite Regelkreis wird wie beim standard KPFM ohne Pulsmodulierung verwendet. Die unvermeidliche Mischung der beiden Kelvinbiasspannungen kann bei Kenntnis des Tastgrades durch einfache Rechnung wieder aufgelöst und so das reine zeitabhängige und das reine zeitgemittelte Oberflächenpotenzial quantitativ ermittelt werden. Die minimale zeitliche Auflösung des aktuellen set-up liegt bei ≈ 10 ns. Die neu entwickelte Methode wurde genutzt, um die Ladungsträgerdynamik im halbleitenden Kanal eines bottom-gate bottom-contact organischen Feldeffekttransistors (OFET) zu untersuchen. Die Messungen erlauben erstmals sowohl zeitlich als auch räumlich aufgelöst die elektrodynamischen Prozesse auf den relevanten Längen- und Zeitskalen zu verfolgen. Der limitierende Einfluss von Schottky-Barrieren auf die Schaltgeschwindigkeit des organischen Feldeffekttransistors konnte damit direkt als Nadelöhr hin zu schnelleren Schaltgeschwindigkeiten in diesem OFET nachgewiesen werden. Da die Anwendbarkeit der Methode nur daran gebunden ist, dass überhaupt ein zeitabhängiges Potenzial erzeugt werden kann, sind über rein elektrische Messungen hinaus unzählige verschiedene Themenstellungen vorstellbar; wie zum Beispiel die Untersuchung opto-elektrischer, piezoelektrischer, magneto-elektrischer, thermo-elektrischer oder pyro-elektrischer Effekte.
Publications
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In situ self-assembled organic interface layers for the controlled growth of oligothiophene thin films on ferroelectric Pb(Zr0.2Ti0.8)O3, in: J. Chem. Phys. 139, 214702 (2013)
P. Milde, R. Schoenfelder, A. Koitzsch, K. Haubner, U. Zerweck-Trogisch, E. Jaehne, and L.M. Eng
