Elektronentransport in Hybridhalbleitern

Bremer Forscher finden Hinweise auf einen effektiven Elektronentransport in Hybridhalbleitern.

Wissenschaftlern der International University Bremen (IUB) in der Arbeitsgruppe um Stefan Tautz gelang es erstmals, eine starke Delokalisierung von Elektronen in einem Dünnschichthalbleiter aus organischen Molekülen auf einer metallischen Trägersubstanz nachzuweisen, wie sie bisher an isolierten organischen Halbleitern nicht beobachtet werden konnte. Die Ergebnisse erlauben Rückschlüsse auf grundlegende Mechanismen des Elektronentransportes in organischen Materialien und an ihren Grenzflächen zu metallischen Kontakten. Zudem können sie von großer Bedeutung für die Entwicklung von Hybridmaterialien mit für die Anwendung interessanten elektronischen Eigenschaften sein.

Für ihre Experimente präparierten die Wissenschaftler ein spezielles Modellsystem, bei dem Schichten aus dem organischen Halbleitermaterial PTCDA (3,4,9,10-perylenetetracarboxylicacid-dianhydride) als Molekülgruppen von wenigen Nanometern Durchmesser auf die metallische Trägersubstanz Ag(111) aufgebracht sind. Die Untersuchungen zum Nachweis der Elektronendelokalisierung wurden mit einem Tieftemperatur-Ultrahochvakuum-Rastertunnelmikroskop durchgeführt, welches die Visualisierung einzelner Moleküle und Molekülgruppen innerhalb der Molekülschichten sowie die spektroskopische Untersuchung der Nanostrukturen des Halbleiters erlaubt.

Abb.: Hybridhalbleiter mit neuen elektronischen Eigenschaften. Ein Rastertunnelmikroskop-Bild zeigt das Modellsystems der organischen PTCDA-Molekülgruppen auf der metallischen Ag(111)-Trägersubstanz.

Ursache für die beobachtete ungewöhnlich starke Elektronendelokalisierung in den untersuchten Schichten ist die komplexe chemische Wechselwirkung zwischen beiden Komponenten des Hybridmaterials, die unter anderem zu einer räumlichen Verformung der organischen Moleküle und zur Ausbildung einer dünnen Grenzschicht mit völlig neuen elektronischen Eigenschaften führt. Elektronendelokalisierung, also die Loslösung von Elektronen aus ihrer festen Bindung an ein Molekül, ist eine wichtige Voraussetzung für den effektiven Transport von Elektronen bzw. Strom in einem Material. Die in dem Modellsystem gemessene starke Delokalisierung lässt darauf schließen, dass die Elektronen sich sehr effektiv wellenartig entlang der Grenzfläche durch das Material bewegen, anstatt langsam von Molekül zu Molekül springen zu müssen. Die Experimente stellen einen eindeutigen Nachweis einer spezifischen chemischen Interaktion zwischen Metall und organischen Molekülen im Halbleiter dar.

Die organische Halbleiterelektronik gilt, im Gegensatz zur konventionellen siliziumbasierten Elektronik, als zukünftiges Entwicklungsfeld für extrem kostengünstige, hocheffiziente und miniaturisierbare Elektronikanwendungen. „Unsere Erkenntnisse zu Organik-Metall Grenzflächen, wie dem von uns untersuchten Modellsystem, helfen zum einen, grundlegende Mechanismen des molekularen Elektronentransportes zu verstehen. Zum anderen können sie helfen, die elektronischen Prozesse zu optimieren, die nötig sind, um die organische Elektronik auf dem Weg zur Anwendbarkeit entscheidend voranzubringen“, so Stefan Tautz zu den Ergebnissen seiner Arbeitsgruppe.

„Für mich war es eine spannende Erfahrung, schon im Bachelor-Studium an einem solchen Grundlagenforschungsprojekt mitarbeiten zu können“, kommentierte Adina Luican, Mitautorin der Nature-Veröffentlichung den Forschungserfolg. Die 22-jährige Rumänin, die jetzt an der Rutgers University in New Jersey als Graduate-Studentin ihr Physikstudium fortsetzt, hatte in ihrem dritten Studienjahr im Rahmen eines „Guided Research Projects“ an der Datenauswertung, insbesondere der rechnerischen Bestimmung der Elektronendelokalisierung, mitgewirkt.

Quelle: International University Bremen

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  R. Temirov, S. Soubatch, A. Luican und F. S. Tautz, Free-electron-like dispersion in an organic monolayer film on a metal substrate, Nature 444, 350 (2006).
  http://dx.doi.org/10.1038/nature05270
• International University Bremen - IUB:
  http://www.iu-bremen.de
• Homepage von Stefan Tautz:
  http://www.iu-bremen.de/directory/stautz
• Surface and Interface Science, IUB:
  http://www.iu-bremen.de/schools/ses/research/05858#tautz