Starker Halt - Unerwartete Wechselwirkung zwischen organischen Halbleitern

Rastertunnelmikroskop-Aufnahme bei -260 °C: eine dünne Schicht Kupfer-Phthalocyanin hat sich im oberen rechten Bildteil auf einem Gitter aus PTCDA angelagert. Die übereinstimmende Anordnung der verschiedenartigen Moleküle weist auf die starke Bindung zwischen den beiden Schichten hin. Quelle: Forschungszentrum Jülich (idw)

Jülicher Physiker haben eine unerwartet starke Bindung zwischen organischen Schichten entdeckt. Solche Strukturen geben Wissenschaftlern weltweit noch viele Rätsel auf. Sie sind die Grundlage für neuartige elektronische Bauelemente aus organischen Halbleitern, die mittlerweile in immer mehr Smartphones und Fernsehgeräten verwendet werden. Die Ergebnisse werden in der renommierten Zeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.

Arbeitsgruppe von Dr. Christian Kumpf (1. v.l.) mit Dipl.-Phys. Christoph Kleimann (2. v.l.), Dr. Ingo Kröger (3. v.l.), M. Sc. Benjamin Stadtmüller (4. v.l.). Quelle: Forschungszentrum Jülich (idw)

Organische Halbleiter lassen sich günstig herstellen, flexibel formen und sind äußeren Einflüssen gegenüber relativ unempfindlich. Im Prinzip könnten sie künftig sogar einfach auf Plastikfolien aufgedruckt werden. Als organische Leuchtdioden (OLEDs) werden sie bereits vielfach eingesetzt, vor allem in Smartphones, weil sie nur wenig Strom verbrauchen. Trotzdem sind die elektronischen Eigenschaften dieser komplexen Materialien bisher noch größtenteils unbekannt. Von besonderem Interesse für die Forschung sind die Grenzflächen. Denn für die Leistung der Bauteile ist entscheidend, wie gut sich Kontakte mit anderen organischen und metallischen Leitern herstellen lassen. Je stärker die Verbindung, desto besser können Elektronen von einem Material auf das andere übergehen – und desto mehr Strom oder Licht liefern Solarzellen oder Leuchtdioden.

Solche starken Bindungen bilden organische Moleküle allerdings in der Regel nicht aus. „Bisher gingen Wissenschaftler davon aus, dass organische Materialien untereinander nur über schwache Van-der-Waals-Kräfte wechselwirken. Nur in Kontakt mit manchen Metallen, zeigen sie auch eine stärkere Anbindung, genannt Chemisorption“, berichtet Dr. Christian Kumpf vom Forschungszentrum Jülich. „Wir konnten jetzt erstmals eine solche Chemisorption zwischen zwei organischen Schichten nachweisen, die wir auf einen Silberkristall aufgedampft hatten.“ Solche sandwichartigen Strukturen befinden sich auch in OLEDs, die meist aus mehreren organischen Schichten zwischen zwei metallischen Leitern bestehen.

Für die Analyse verwendeten Kumpf und seine Kollegen PTCDA, ein organisches Halbleitermaterial sowie Kupfer-Phthalocyanin, das häufig als Farbstoff verwendet wird. Danach untersuchten sie die nur je eine Moleküllage dicken Schichten mit verschiedenen hochspezialisierten Messverfahren. Mit Ultravioletter Photoelektronen Spektroskopie (UPS) zeigten die Forscher, dass es zu einem elektronischen Ladungstransfer zwischen den organischen Halbleitern kommt. Mit Rastertunnelmikroskopie (STM) und Niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) stellten sie außerdem fest, dass sich in Folge der starken Bindung die Anordnung der Moleküle von einer Lage auf die nächste überträgt, also praktisch „durchpaust“.

Dass einige Metalle solche starken Wechselwirkungen mit einem organischen Halbleiter aufbauen können, ist schon länger bekannt. Kumpf selbst trug bereits mit seinen früheren Arbeiten zur Forschung auf diesem Gebiet bei, auch vor seinem Wechsel im Jahr 2008 nach Jülich zu Prof. Stefan Tautz.

„Dass der Ladungstransfer zwischen diesen organischen Materialien stattfindet, ist neu, das kam ziemlich unerwartet. Diese Erkenntnis wird später sicher noch in die Entwicklung neuer organischer Halbleiterbauteile einfließen“, schätzt der Direktor des Jülicher Peter Grünberg Instituts (PGI). Bis dahin ist es aber noch ein weiter Weg. Zu unterschiedlich sind die Herstellungsprozesse in der Industrie und die Anforderungen im Labor, bei denen es eher auf Wiederholbarkeit und Genauigkeit ankommt.

Quelle: Forschungszentrum Jülich (idw)