Bild: Durch Ändern des Verhältnisses von 3T-Partikeln (Vordergrund) und 6T-Partikeln (im Hintergrund angezeigt) in der Mischung kann der Spalt stufenlos angepasst werden. Landschaft Mehr
Bildnachweis: Sebastian Hatch, Frank Ortman
Organische Halbleiter haben sich als energiesparende Materialien in organischen Leuchtdioden (OLEDs), die in großen Displays eingesetzt werden, einen Namen gemacht. Bei diesen und anderen Anwendungen, wie beispielsweise Solarzellen, ist der Schlüsselparameter die Energielücke zwischen den elektronischen Zuständen. Bestimmt die Wellenlänge des emittierten oder absorbierten Lichts. Eine kontinuierliche Anpassung dieser Energielücke ist wünschenswert. Tatsächlich gibt es für anorganische Materialien bereits ein geeignetes Verfahren – das sogenannte Blending. Es basiert auf der Konstruktion der Bandlücke durch den Austausch von Atomen im Material. Dies ermöglicht eine kontinuierliche Abstimmung wie beispielsweise bei Aluminium-Gallium-Arsenid-Halbleitern. Leider lässt sich dies aufgrund der unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften und des molekülbasierten Strukturmodells nicht auf organische Halbleiter übertragen, was eine kontinuierliche Bandlückenabstimmung erschwert.
Doch mit ihren neuesten Verlagswissenschaftlern am Zentrum für Elektronikentwicklung in Dresden (cfaed, TU Dresden) und an der Exzellenzgruppe „e-conversion“ der TU München gemeinsam mit Partnern der Universität Würzburg, HU Berlin und Universität Ulm für erstmals das Engineering der Energielücke organischer Halbleiter durch Blending.
Bei anorganischen Halbleitern können die Energieniveaus durch atomare Substitutionen gegeneinander verschoben werden, wodurch die Bandlücke verringert wird („Bandgap-Geometrie“). Im Gegensatz dazu können Modifikationen der Bandstruktur durch Mischen organischer Materialien die Energieniveaus nur synergistisch nach oben oder unten ändern. Dies liegt an den starken Coulomb-Effekten, die in organischer Materie ausgenutzt werden können, dies hat jedoch keinen Einfluss auf die Lücke. „Es wäre auch interessant, die Phagen organischer Materialien durch Blending zu verändern, um eine langwierige Synthese neuer Moleküle zu vermeiden“, sagt Professor Carl Liu von der Universität Dresden.
Eine unkonventionelle Methode haben die Forscher nun gefunden, indem sie die Materialien mit einer Mischung ähnlicher Moleküle unterschiedlicher Größe mischen. „Das Hauptergebnis ist, dass alle Moleküle in bestimmten Mustern angeordnet sind, die ihre Molekülform und -größe erlaubt“, erklärt Frank Ortmann, Professor an der Universität München und Gruppenleiter am Zentrum für Elektronikentwicklung in Dresden (cfaed, TU Dresden). „Dies induziert die gewünschte Änderung der Dielektrizitätskonstante und der Lückenenergie.“
Die Gruppe von Frank Ortmann konnte den Mechanismus aufklären, indem sie die Strukturen von gemischten Filmen und ihre elektronischen und dielektrischen Eigenschaften simulierte. Die entsprechende Änderung der molekularen Packung in Abhängigkeit von der Form der beigemischten Partikel wurde durch Röntgenstreuungsmessungen bestätigt, die von Professor Stefan Mansfelds Organic Instrumentation Group am cfaed durchgeführt wurden. Experimentelle Arbeiten und das zugrunde liegende Gerät wurden von Catherine Orstein und Kollegen in der Gruppe von Professor Carl Liu an der Universität Dresden durchgeführt.
Die Ergebnisse dieser Studie wurden in der renommierten Zeitschrift veröffentlicht Naturmaterialien. Während dies die Machbarkeit dieser Art von Energieniveau-Engineering-Strategie beweist, wird ihr Einsatz für optoelektronische Bauelemente in Zukunft untersucht.
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Publikation: Bandlücken-Engineering in gemischten organischen Halbleiterfilmen basierend auf dielektrischen Wechselwirkungen. Catherine Orstein, Sebastian Hatch, Mike Hambusch, Christopher Tvingstedt, Berthold Wegener, Johannes Bendon, Jonas Kobletsky, Martin Schwartz, Sebastian Shelhamer, Felix Talnack, Astrid Vogt, Peter Baurel, Frank Norbert Kochan, Stefan CB Manlinslieufeld, Hans. Naturmaterialien Online veröffentlicht: 10. Juni 2021
DOI: 10.1038 / s41563-021-01025-z
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Diese Forschung wurde durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) und teilweise durch den elektronischen Transfer der Exzellenzgruppe im Rahmen der Deutschen Exzellenzstrategie gefördert.
Medienanfragen:
Professor Carl Leu
Integriertes Zentrum für Angewandte Physik und Photonik Dresden
TU Dresden
Telefon. +49 351 463-37533
karl.leo@iapp.de
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Professor Frank Ortman
Chemieabteilung
TU München
Tel: +49 89 289 13611
frank.ortmann@tum.de
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