Schlechte Leiter, gute Leiter
Ein Experiment klärt, unter welchen Bedingungen organische Materialien Strom gut leiten.
Organische Halbleitermaterialien besitzen viele Vorteile: Sie lassen sich in großen Mengen preiswert synthetisieren, leicht verarbeiten, sind mechanisch flexibel und Ressourcen schonend. Ihr großflächiger Einsatz in technischen Anwendungen, wie beispielsweise in optoelektronischen Bauelementen, wird jedoch dadurch erschwert, dass sie den elektrischen Strom im Allgemeinen schlecht leiten. Unter bestimmten Umständen kann sich das allerdings deutlich ändern. Wie dies in einer zweidimensionalen Schicht genau funktioniert, haben Physiker der Universität Würzburg im Experiment aufgedeckt.
Abb.: Trägt man eine einzige Moleküllage organischer Moleküle auf ein metallisches Trägermaterial auf, erhöht sich die Leitfähigkeit des organischen Materials deutlich. (Bild: P. Puschnig, M. Wießner, JMU)
„Trägt man organische Moleküle auf eine metallische Oberfläche auf, so ist die direkte Bindung zwischen ihnen normalerweise relativ schwach“, erklärt Achim Schöll von der Universität Würzburg. „Stattdessen stehen die einzelnen Moleküle hauptsächlich mit ihrer Unterlage in Wechselwirkung.“ Schöll forscht seit vielen Jahren an Molekülen für die organische Halbleiterelektronik. In seinen jüngsten Experimenten konnte er zeigen, dass die Regel über die geringe gegenseitige Wechselwirkung nicht immer zutrifft.
Dazu haben die Physiker auf ein metallisches Trägermaterial im Ultrahochvakuum eine einzelne geordnete Schicht organischer Moleküle aufgebracht, die genau eine einzige Moleküllage dick ist. Auf diesem quasi-zweidimensionalen Halbleiter bestimmt die Metallunterlage die Anordnung der Moleküle, die ein ganz ungewöhnliches Verhalten zeigen. „Wir konnten nachweisen, dass die Elektronen der organischen Moleküle nun mit ihren Nachbarmolekülen in Kontakt treten – allerdings vermittelt über den metallischen Träger“, erklärt Schöll. Die Elektronenwolken benachbarter Moleküle bilden also einen gemeinsamen Zustand aus, an dem auch das Metall beteiligt ist. Das erleichtert den Austausch von Ladungen und erhöht somit die Leitfähigkeit des organischen Materials. Die Tatsache, dass die Moleküle über den Umweg durch das Metall miteinander „kommunizieren“ sei das Spannende an den Ergebnissen.
In ihren Messungen stießen die Physiker auf ein weiteres Phänomen: Die Stärke dieser Kommunikation ist von der Richtung abhängig. Das heißt, die zweidimensionale Molekülschicht transportiert Ladungen in eine Richtung vergleichsweise gut, in andere Richtungen deutlich schlechter. Ursache dafür ist der innere Aufbau der Moleküle und ihre Anordnung auf der metallischen Unterlage.
In weiteren Experimenten will Schöll jetzt untersuchen, welchen Einfluss eine Kombination verschiedener Moleküle, ein anderes Trägermaterial und eine andere Anordnung der Moleküle auf das Verhalten der Elektronen haben. Mit den Erkenntnissen aus diesen Experimenten ließen sich dann möglicherweise zweidimensionale Netzwerke mit bestimmten elektronischen Eigenschaften maßgeschneidert herstellen.
JMU / AH
