Organische Halbleiter optimal dotiert

Forscher des Dresden Inte­grated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) und des Center for Advancing Elec­tronics Dresden (cfaed) an der TU Dresden haben nun in Kooperation mit der Stanford Univer­sity und dem Institute for Molecular Science in Okazaki wesentliche Parameter identifiziert, die die elek­trische Leit­fähigkeit in dotierten organischen Leitern beeinflussen. Die Verbindung von experi­mentellen Unter­suchungen mit Simu­lationen ergab, dass durch Einbringen von Dotier­molekülen in organische Halbleiter Komplexe aus zwei gegen­sätzlich geladenen Molekülen entstehen.

Die Eigen­schaften dieser Komplexe wie die Coulomb-Anziehung und die Dichte der Komplexe bestimmen maßgeblich die Energie­barrieren für den Transport von Ladungs­trägern und damit die Höhe der elektrischen Leit­fähigkeit. Die Identi­fizierung wichtiger molekularer Parameter bildet einen bedeut­samen Grundstein für die Entwicklung neuer, noch leitfähigerer organischer Materialien. Organische Halb­leiter erlauben die Herstellung groß­flächiger gedruckter und mechanisch flexibler elek­tronischer Anwendungen, und haben sich in Form von organischen Leucht­dioden (OLEDs) bereits erfolgreich auf dem Display-Markt etabliert. Um weitere Markt­segmente zu erschließen, bedarf es allerdings noch einer Verbesserung der Leistungs­fähigkeit. Der Weg dahin führt über Dotierung.

Schon geringste Mengen an Fremd­atomen können einen sehr starken Einfluss auf die elek­trische Leitfähigkeit haben. Molekulare Dotierung ist ein elementarer Bestandteil des Großteils kommer­zieller Anwendungen in der orga­nischen Elektronik. Bislang fehlte allerdings ein grund­legendes physi­kalisches Verständnis der Transport­mechanismen von Ladungen in dotierten organischen Halbleitern, um die Leit­fähigkeit weiter in Richtung der besten anorganischen Halbleiter wie Silizium zu erhöhen.

Während im IAPP die experi­mentellen Arbeiten und ein Teil der Simu­lationen durchgeführt wurden, hat die Compu­tational Nano­electronics Group am cfaed unter Leitung von Frank Ortmann die theo­retischen Erklärungen für die Beobachtungen durch Simu­lationen auf molekularer Ebene belegt. Auf diese Weise konnte ein umfas­sendes Fundament für neue Anwendungen der orga­nischen Halbleiter­technologie gelegt werden.

TU Dresden / JOL

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  M. Schwarze et al.: Molecular parameters responsible for thermally activated transport in doped organic semiconductors, Nat. Mat., online 28. Januar 2019; DOI: 10.1038/s41563-018-0277-0
• Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (K. Leo), Technische Universität Dresden