10.06.2021

Energielücke stufenlos einstellen

Feinabstimmung durch Mischen verschiedener halbleitender Moleküle möglich.

Organische Halbleiter haben sich als energie­sparende Materialien in organischen Leucht­dioden (OLEDs), welche in großflächigen Displays eingesetzt werden, einen Namen gemacht. Viele von uns halten sie täglich in ihren Händen, wenn wir zum Handy oder Tablet greifen. Bei diesen und anderen Anwendungen, wie etwa Solarzellen, ist die Energielücke zwischen elektronischen Zuständen ein Schlüssel­parameter. Sie bestimmt die Wellenlänge des Lichts, das ausgestrahlt oder absorbiert wird. Die möglichst stufenlose Einstell­barkeit dieser Energielücke ist eine wünschens­werte Eigenschaft des Materials für dessen vielseitige technische Anwendbarkeit. Für anorganische Materialien gibt es längst eine entsprechende Methode – das Blending. Es basiert auf der Beeinflussung der Bandlücke durch den Austausch von Atomen im Material. Dies ermöglicht eine stufenlose Abstimm­barkeit, die in Dioden­lasern oder Leuchtdioden eingesetzt werden. Leider ist dies so nicht direkt auf organische Halbleiter übertragbar, da diese andere physikalische Eigen­schaften haben und aus Molekülen aufgebaut sind, was eine konti­nuierliche Abstimmung der Bandlücke erheblich erschwert.

Abb.: Durch Variation des Verhält­nisses von 3T-Molekülen und 6T-Molekülen...
Abb.: Durch Variation des Verhält­nisses von 3T-Molekülen und 6T-Molekülen in der Mischung lässt sich die Energie­lücke stufenlos einstellen. (Bild: S. Hutsch & F. Ortmann)

Doch nun berichten Wissenschaftler der TU Dresden und des Exzellenzclusters „e-conversion“ an der TU München gemeinsam mit Partnern der Universität Würzburg, der HU Berlin und der Universität Ulm, wie sie die Einstellung der Energie­lücke mittels Blending für organische Halbleiter erstmals realisieren konnten. Bei anorganischen Halbleitern lassen sich die Energieniveaus durch atomare Sub­stitutionen gegeneinander verschieben und damit die Bandlücke verkleinern. Im Gegensatz dazu können typischer­weise bei organischen Halbleitern die Energie­niveaus nur konzertiert entweder nach oben oder unten verschoben werden. Das liegt an den starken Coulomb-Effekten, die in organischen Materialien zwar ausgenutzt werden können, was aber keinen Einfluss auf die Energie­lücke hat. „Es ist von großem Interesse, auch die Bandlücke der orga­nischen Materialien durch Blending zu verändern, um die langwierige Synthese neuer Moleküle zu vermeiden“, sagt Karl Leo von der TU Dresden.

Die Forscher fanden einen unkonven­tionellen Weg, indem sie zwei Halbleiter mit ähnlicher molekularer Struktur, aber unter­schiedlichen Molekül­größen miteinander mischen. „Die entscheidende Erkenntnis ist, dass sich alle Moleküle in bestimmten Mustern anordnen, die durch ihre molekulare Form und Größe bestimmt werden“, erklärt Frank Ortmann von der TU München. „Dies führt zu der gewünschten Änderung der Dielektrizitäts­konstante und der Größe der Bandlücke des Materials.“ Die Gruppe von Frank Ortmann konnte diesen Mechanismus aufklären, indem sie die Strukturen der gemischten organischen Filme und deren elektronische und dielek­trische Eigen­schaften simulierte.

Eine entsprechende Änderung der Molekülpackung in Abhängigkeit von der Form der kombinierten Moleküle wurde durch Röntgenbeugungs­messungen bestätigt. Diese Arbeiten wurden von Wissen­schaftlern der Professur für Organische Bauelemente am cfaed, geleitet von Stefan Mannsfeld, durchgeführt. Die zentralen experi­mentellen Arbeiten und die Erstellung der Bauelemente wurden von Katrin Ortstein und ihren Kollegen in der Gruppe von Karl Leo durch­geführt. Damit konnte die Machbarkeit dieser Variante der Beein­flussung der Energielevel bei organischen Halbleitern bewiesen werden, und ihr zukünftiger Einsatz für opto­elektronische Bauelemente wird nun in weiteren Schritten erforscht. 

TU Dresden / JOL

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