Unerwartete Eigenschaften organischer Halbleiter

Jülicher Physiker sind bei der Erforschung organischer Halbleiter einen weiteren Schritt vorangekommen. Diese sind bereits heute die Grundlage für neuartige elektronische Bauelemente, die mittlerweile in immer mehr Smartphones und Fernsehgeräten verwendet werden, und geben trotzdem immer noch viele Rätsel auf. Organische Halbleiter lassen sich günstig herstellen, flexibel formen und sind äußeren Einflüssen gegenüber relativ unempfindlich. Im Prinzip könnten sie künftig sogar einfach auf Plastikfolien gedruckt werden. Als organische Leuchtdioden (OLEDs) werden sie bereits vielfach eingesetzt, vor allem in Smartphones.

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.

Nun wurde eine unerwartet starke Bindung zwischen organischen Schichten entdeckt. Bindungen solcher Stärke bilden organische Moleküle 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", berichtete Christian Kumpf vom Forschungszentrum Jülich.

Sein Forschungs-Team konnte jetzt erstmals eine solche Chemisorption zwischen zwei organischen Schichten nachweisen, die auf einen Silberkristall aufgedampft wurden. Solche sandwichartigen Strukturen befinden sich auch in OLEDs, die meist aus mehreren organischen Schichten zwischen zwei metallischen Leitern bestehen.

Für die Analyse verwendeten die Forscher 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. "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", so Kumpf.