Dotierungsbooster für organische Halbleiter

Organische Halbleiter mit negativen Ladungen zu dotieren, ist besonders schwierig. Nun hat ein deutsch-amerikanisches Team zu einem Trick gegriffen: Im ersten Schritt koppelten sie die empfindlichen Ladungs­spender-Moleküle (n-Dotanden) paarweise zu Dimeren, die stabiler sind. Diese Dimere ließen sich in organische Halbleiter einbringen, trugen allerdings nicht zur Leit­fähigkeit bei. Das veränderte sich nach einer kurzen Bestrahlung mit Licht: Denn Licht zerlegt die Dimere wieder in einzelne n-Dotanden. Dadurch erhöhte sich die Leitfähigkeit im Halbleiter um den Faktor 100.000.

Halbleiter-Bauelemente werden überall eingesetzt, nicht nur in Mikrochips, sondern auch Solarzellen, die Licht in elektrische Energie umwandeln und in vielen anderen Anwendungen des täglichen Lebens. In den letzten Jahren werden verstärkt auch organische Halbleiter­materialien untersucht und weiterentwickelt. Auch ihre Eigenschaften basieren auf dem gezielten Einbau von einer geringen Anzahl fremder Atome oder Moleküle, was ihre Leitfähig­keit präzise einstellbar macht.

Für interessante Anwendungen benötigt man jedoch sowohl sogenannte p-dotierte als auch n-dotierte Halbleiterschichten, die miteinander zu den entsprechenden Bau­elementen kombiniert werden. Bei organischen Halb­leitern ist es jedoch extrem schwierig, eine n-Dotierung zu erreichen. Denn dies erfordert den Einbau einer bestimmten Klasse von organischen Moleküle, welche sich unter Umgebungs­bedingungen wie Sauerstoff und Feuchtigkeit sehr rasch zersetzen.

In einem nun erschienenen Beitrag hat ein deutsch-amerikanisches Team einen neuen Ansatz ausprobiert, um organische Halbleiter mit n-Molekülen zu dotieren. An der Arbeit waren Gruppen aus dem Georgia Institute of Technology, der Princeton University, der Humboldt-Universität zu Berlin sowie dem Helmholtz-Zentrum Berlin beteiligt.

Der neue Ansatz besteht aus zwei Schritten. Im ersten Schritt wurden organo­metallische Moleküle, die n-Dotanden, zu einem Dimer verbunden. Dieses gekoppelte Molekül ist im Gegensatz zu den Ausgangs­molekülen relativ stabil und lässt sich unzerstört in den organischen Halbleiter einbringen; allerdings eignet es sich nicht als n-Dotand und setzt keine negativen Ladungen frei. Der revolutionäre zweite Schritt bestand nun darin, das Gemisch zu beleuchten. Die einfallenden Photonen zerlegen die Dimere in einem Mehrstufenprozess wieder in die aktiven Ausgangs­moleküle, die dann ihre Wirkung als n-Dotanden voll entfalten konnten.

„Durch die Aktivierung der Dotanden mit Licht konnten wir die Leitfähigkeit von organischen Halbleitern um fünf Größen­ordnungen steigern! Dies könnte die Effizienz von organischen Leucht­dioden und Solarzellen deutlich erhöhen”, sagt Antoine Kahn von der Princeton University, der das Projekt koordinierte.

„Diese Forschungsarbeit ermöglicht eine weitaus einfachere Herstellung von n-dotierten organischen Halbleiter­materialien für vielfältigste Anwendungen. Dabei kann der kritische Schritt – nämlich die Zerlegung der Dimer-Moleküle mit Licht – auch nach der Verkapselung geschehen – so dass die Dotier-Moleküle geschützt bleiben. Dies wird auch die Lebensdauer solcher Bau­elemente erhöhen”, erklärt Norbert Koch, der die gemeinsame Forschungs­gruppe „Molekulare Systeme“ von HU Berlin und HZB leitet.

HZB / DE