Dotierung unter der Lupe

Eine Gruppe von Physikern vom cfaed an der TU Dresden konnte gemeinsam mit Forschern aus Japan in einer Studie zeigen, wie sich die Dotierung organischer Halbleiter simulieren und experimentell überprüfen lässt. Die Dotanden sind beabsichtigte „Störungen“ im Halbleiter, mit denen sich das Verhalten der Elektronen und damit die elektrische Leitfähigkeit des Ausgangs­materials gezielt steuern lässt. Schon geringste Mengen davon können einen sehr starken Einfluss auf die elektrische Leit­fähigkeit haben. Dotierung verleiht Halb­leitern ihre Funktionalität in allen wichtigen elektronischen Bauelementen und bildet somit das Rückgrat der Elektronik­industrie.

Obwohl das Prinzip der Dotierung von konventionellen Halbleitern bereits 1950 von John Robert Woodyard beschrieben wurde, gibt es bis heute Unklarheiten über Vorgänge beim Dotieren organischer Halb­leiter. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sowohl die Dotanden als auch das Halbleiter­material aus Molekülen bestehen und die Dotier­effizienz von verschiedenen Effekten beeinflusst wird, die noch nicht gut verstanden sind.

Eine Gruppe von Physikern der TU Dresden um den cfaed-Forschungs­gruppen­leiter Frank Ortmann (Computational Nano­electronics Group) konnte nun in einer Studie zeigen, wie sich verschiedene Dotier­eigenschaften simulieren und anschließend experimentell überprüfen lassen. Dafür wurden die Zustands­dichte und die Position des Fermi­niveaus der proto­typischen Materialien C₆₀ und Zink­phthalocyanin, welche mit hoch­effizienten Benzi­midazolin-Radikalen (2-Cyc-DMBI) n-dotiert wurden, simuliert und in direkter und inverser Photo­emissions-Spektroskopie experimentell bestimmt. Diese Arbeit geschah mit Kollaborations­partnern aus Japan und mit den cfaed-Partnern Karl Leo (Professur für Opto­elektronik) und Gianaurelio Cuniberti (Professur für Material­wissenschaft und Nano­technik) von der TU Dresden.

Die Wissenschaftler untersuchen darin die Rolle von elektronischen Zuständen in der Band­lücke, die durch das Dotieren erzeugt wurden. Insbesondere identifizierten sie den energetischen Unterschied Δ zwischen der Elektronen­affinität des undotierten Moleküls und dem Ionisations­potential seines dotierten Gegenstücks (in der Nähe von Dotanden) als Schlüssel­parameter für effiziente Dotierung. „Dieser Parameter ist kritisch für die Erzeugung von freien Ladungs­trägern und beeinflusst damit die Leit­fähigkeit der dotierten Filme“, so Ortmann. „Strategien zur Optimierung der elektronischen Eigenschaften organischer Halbleiter können durch die Veränderung des Wertes von Delta untersucht und charakterisiert werden.“

TU Dresden / DE