Nanowissenschaft: Schwache Kraft. Starke Wirkung.

Für die Bindung bestimmter organischer Moleküle auf metallischen Oberflächen ist ausschließlich die Van der Waals-Kraft, eine schwache Anziehungskraft, verantwortlich. In einem Modell für organische Bauelemente sorgt allein diese Kraft für die Bindung eines organischen Films auf eine metallene Unterlage. Diese jetzt in Physical Review Letters veröffentlichten Daten sind das jüngste Ergebnis eines vom Wissenschaftsfonds FWF unterstützen Nationalen Forschungsnetzwerks (NFN). Tatsächlich machen sie die Überarbeitung zahlreicher Berechnungsmodelle für die physikalischen Interaktionen dünner Filme mit ihrem Trägermaterial erforderlich.

Trotz der Erfüllung komplexer Funktionen z. B. als Computerchips sind anorganische Halbleiter einfach aufgebaut, was ihren Anwendungsmöglichkeiten enge Grenzen setzt. Anderes gilt für Halbleiter, die organische Materialien nutzen. Die hohe Flexibilität der organischen Moleküle erlaubt für sie völlig neue Einsatzmöglichkeiten. Doch dieser Vorteil kann nur dann genutzt werden, wenn ihre im Vergleich zu anorganischen Materialien bedeutend höhere Komplexität besser verstanden wird.

Drunter & Drüber
Für die Herstellung organischer Halbleiter werden dünne Filme eines elektrisch leitenden organischen Materials auf eine Trägerfläche aufgebracht. Dabei ist es wichtig, die Wechselwirkungen an den Grenzflächen zwischen Trägermaterial und organischem Material zu verstehen. Genau dazu gelang einem Team des Nationalen Forschungsnetzwerks (NFN) "Interface controlled and functionalised organic thin films" an der Montanuniversität Leoben ein wichtiger Beitrag. Durch aufwändige Berechnungen konnte gezeigt werden, dass ein dünner Film aus organischem Thiophen allein durch Van der Waals-Kräfte auf einer Kupferoberfläche gehalten wird. Dabei konnte die Adsorptionsenergie von dem Team mit -0.50 eV berechnet werden.

Der Sprecher des NFN, Prof. Helmut Sitter vom Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik der Johannes Kepler Universität (JKU) Linz, erläutert: "Die Van der Waals-Kraft ist eine zwischen Atomen schwach wechselwirkende Kraft, die durch unsymmetrische Ladungsverteilung in den Atomen entsteht. Wie wir jetzt wissen, wird ihr Einfluss bei extrem dünnen Materialfilmen, wie sie zur Herstellung organischer Halbleiter verwendet werden, sehr bedeutend und kann allein zur Bindung zwischen den Materialien ausreichen. Aufgrund ihrer Schwäche wurde sie aber in zahlreichen Methoden, die zur Berechnung der Wechselwirkung verschiedener Materialien verwendet werden, bisher nicht oder nur untergeordnet berücksichtigt." Damit scheint auch eine Erklärung gefunden, warum die häufig für diese Zwecke verwendete "generalized gradient approximation" (GGA) das Bindungsverhalten in dünnen Schichten bisher nicht befriedigend erklären konnte. Tatsächlich könnten diese jetzt veröffentlichten Ergebnisse lang bekannte Diskrepanzen zwischen verschiedenen experimentellen Daten und Berechnungsmodellen für die Wechselwirkung von dünnen Schichten erklären.

Publikationen, Preise, Produkte
Die neuen Daten erweitern das grundlegende Verständnis für die Wechselwirkungen an Grenzflächen. Gleichzeitig zeigt der Einfluss der Van der Waals-Kraft, dass in dem berechneten System keine Ladungen zwischen den Atomen des organischen und des Trägermaterials transferiert werden. Für die Herstellung und Funktion organischer Halbleiter ist das von entscheidender Bedeutung.

Wie nahe an der praktischen Anwendung die TeilnehmerInnen des NFN auch sonst forschen, belegen mehrere Veröffentlichungen in dem Journal Advanced Materials in diesem Jahr. Eine dieser Publikationen führte sogar zur Verleihung des Innovationspreises des Landes Oberösterreich an das Institut für Experimentalphysik der JKU. Da wundert es auch nicht mehr, dass bereits drei Spin-off-Unternehmen auf Grundlage der Erkenntnisse des NFN gegründet wurden, die fast ausschließlich von AbsolventInnen der beteiligten Institute geführt werden. Eines dieser Unternehmen, Nanoident, erhielt von Ernst & Young Österreich die Auszeichnung "Entrepreneur Of The Year 2007".

All dies ist zusammen mit einer Veröffentlichung des NFN in SCIENCE im Sommer dieses Jahres für Prof. Sitter ein schöner Beleg für die erfolgreiche Integration von Grundlagenforschung, angewandter Forschung und Technologietransfer im Rahmen eines vom FWF geförderten Nationalen Forschungsnetzwerks.

Originalpublikation: Importance of Van Der Waals Interaction for Organic Molecule-Metal Junctions: Adsorption of Thiophene on Cu(110) as a Prototype, P. Sony, P. Puschnig, D. Nabok & C. Ambrosch-Draxl. Phys. Rev. Lett. 99, 176401 (2007).

Wissenschaftlicher Kontakt:
Prof. Helmut Sitter
Institut für Halbleiter- und Festkörperphysik
Johannes Kepler Universität Linz
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