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23.06.2014

Nahfeldmikroskopische Untersuchung von organischen Halbleitern gibt Aufschluss über den Ladungstransport


Organische Halbleiter-Dünnschichten sind von Einschlüssen durchzogen, die den Ladungstransport behindern könnten. Dies konnten LMU-Wissenschaftler mithilfe einer neuen Methode nachweisen.

Organische Halbleiter aus Polymeren oder kleinen Molekülen haben im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitern wie Silizium den Vorteil, dass sie einfach und kostengünstig hergestellt werden können. Da sie sich zudem zu dünnen, biegsamen Schichten verarbeiten lassen, können sie durch Druck oder Beschichtung auf verschiedene Oberflächen aufgebracht werden. Das macht organische Halbleiter für eine Vielzahl von Anwendungen - etwa in der Optoelektronik - sehr interessant. Ihre elektronische Leitfähigkeit und ihre Effizienz hängen von den Eigenschaften der verwendeten Materialien ab. LMU-Wissenschaftler um Dr. Bert Nickel, der auch dem Exzellenzcluster "Nanosystems Initiative Munich" (NIM) angehört, untersuchen, welchen Einfluss der Ordnungsgrad der organischen Moleküle auf den elektrischen Ladungstransport hat.

In Halbleiter-basierten Bauteilen müssen die Ladungsträger - Elektronen und sogenannte Elektronenlöcher - möglichst ungehindert fließen können. "Bisher gab es widersprüchliche Berichte darüber, inwiefern die Körnigkeit oder Kristallinität der organischen Halbleiter-Dünnschicht den Transport und die Trennung elektrischer Ladungen beeinflusst", erklärt Nickel, der mit seinem Team die Struktur eines dünnen Films des Halbleiters Pentacen unter die Lupe nahm.

Nano-Leuchte macht Strukturen sichtbar

Derartige nanoskalige Untersuchungen sind sehr schwierig", sagt LMU-Physiker Fritz Keilmann, einer der Pioniere im Bereich der Nahfeldmikroskopie. "Wir haben es geschafft, indem wir in der Neaspec GmBH - einer Ausgründung des Center for NanoScience der LMU - eine Methode entwickelten, bei der die sehr feine Metall-Spitze eines Rasterkraftmikroskops mit einem Infrarotlaser beleuchtet wird. Diese Spitze wirkt dann als Nano-Antenne wie eine winzige Lichtquelle mit etwa 20 Nanometern Durchmesser und ermöglicht eine hoch präzise Analyse der Halbleiterstruktur - inklusive der Anordnung der einzelnen Moleküle.

Dabei zeigte sich zur Überraschung der Wissenschaftler, dass die flachen Pentacen-Körner der organischen Filme, die oft als homogene Bereiche betrachtet wurden, von Einschlüssen durchzogen sind, in denen das Pentacen in einer etwas anderen Kristallisation vorliegt. "Hier sind die Pentacen-Moleküle stärker gekippt als in der Umgebung. Wir vermuten, dass diese Einschlüsse quasi wie Felsen im Fluss den Ladungstransport in der organischen Schicht behindern", sagt Christian Westermeier, der Erstautor der Studie.

Die Kristallinität auf kleinster Skala ist nicht nur für hochleitende Bauteile wie das in der Studie untersuchte Schaltelement wichtig, sondern spielt auch in organischen Solarzellen, die ein Gemisch aus mehreren Molekülschichten sind, eine entscheidende Rolle. "Experimentell hatte man bisher jedoch kaum Zugriff auf diese Strukturen, so dass unsere Methode einen wichtigen Beitrag zum Verständnis dieser Schichtsysteme und somit von organischen Bauelementen leisten kann", schließt Nickel.

—> Originalpublikation

Quelle: Universität München




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