Wachstum polarer organischer Moleküle auf Graphen und Saphir

Die Entwicklung von organischen Bauelementen auf der Nanometerskala steht im Mittelpunkt intensiver Forschungsaktivitäten aufgrund deren Potentials, die Herstellung kostengünstiger elektronischer Bauelemente zu revolutionieren. "Elektronische Zeitungen", schaltbare Fenster, biegsame Solarzellen, Leuchttapeten, usw. lassen sich als Beispiele für zukünftige elektronische Bauelemente auf der Basis von "organischer Elektronik" anführen. In diesem Zusammenhang sind zwei Hauptherausforderungen anzuführen: Die Stabilität von organischen Halbleitern unter Umgebungsbedingungen und die Struktur der dünnen Schichten. Die erste ist kritisch für Anwendungen, da es die Lebensdauer der Bauteile begrenzt. Letztere betrifft die Ladungsträgerdichte, die eng mit der Micro-/Nanostruktur der Schichten verknüpft ist. In diesem Kooperationsprojekt werden diese Herausforderungen mit einem Multiskalen-Ansatz behandelt, der von der organischen Synthese von aza- modifizierten Molekülen über die Charakterisierung einzelner Moleküle und deren frühen Wachstumsstadien bis zur Untersuchung der kristallinen Struktur auf der Mikrometerskala reicht. Dabei kombinieren wir das komplementäre Know-how der Projektpartner: die Erfahrung der französischen Gruppe mit rastertunnelmikroskopie-gestützter Abbildung und Spektroskopie auf der atomaren und molekularen Skala mit der Expertise der österreichischen Gruppe auf dem Gebiet rastersondenmikroskopie-basierter Analyse der molekularen Wachstumsmechanismen und elektrischen Charakterisierung der Schichten auf der Nanometerskala. Für das Projekt haben wir zwei Substrate ausgewählt, welche anwendungsrelevante Oberflächen repräsentieren: ultradünne Graphenschichten als ein Model für leitfähige Substrate, die potentiell relevant für die Optoelektronik sind, und Aluminiumoxidschichten und Saphir als Model für Gateoxide in mikroelektronischen Bauteilen. Bezüglich der organischen Halbleiter, fokussieren wir unser Interesse auf Moleküle, welche von den sehr populären organischen Halbleitern Pentacen und Parahexaphenyl abgeleitet sind. Diese Moleküle wurden in der Vergangenheit intensiv untersucht, und es wurde gefunden, dass sie unter atmosphärischen Bedingungen eine geringe Stabilität und/oder Qualität der Dünnschichten zeigen. Unser Zugang beinhaltet die Einführung von Heteroatomen, speziell Stickstoff, um die Stabilität der Moleküle unter Umgebungsbedingungenzusteigern undumDipole zu erzeugen, welche die intermolekulare Wechselwirkung in den dünnen Schichten erhöhen. Wir erwarten, dass diese Dipol-Dipol-Wechselwirkungen die strukturelle Qualität der Dünnschichten signifikant verbessern. Die Untersuchung des Zusammenhangs zwischen molekularer Struktur und der Bildung der Dünnschichten auf der Nano- und Mikrometerskala wird zu einem tieferen Verständnis der Mechanismen führen, die das Wachstum von polaren Molekülen betreffen. Dieses soll schließlich zur Entwicklungvon Wachstumsstrategienfürorganische Halbleiterschichten mit verbesserten physikalischen Eigenschaften führen.

Ziel des bilateralen Projektes war das kontrollierte Wachstum neuartiger polarer Moleküle - hergestellt von den französischen Partnern - auf Saphirsubstraten als auch auf zwei- dimensionalen (2D) Substraten wie Graphen (Gr) und hexagonalem Bornitrit (hBN). Im Hinblick auf Anwendungen in zukünftiger biegsamer und tragbarer organischer Elektronik wie elektronischem Papier und elektronischer Haut ist die Auswirkung der molekularen Dipolwechselwirkungen auf die molekulare Anordnung und die Ladungsträgermobilität in den resultierenden organischen Nanostrukturen von größter Wichtigkeit. Das Projekt vereinte die Expertisen der französischen Partner von der Aix-Marseille Universität auf dem Gebiet der Synthese polarer organischer Halbleiter mit jener der österreichischen Partner auf den Gebieten des Wachstums unpolarer organischer Halbleiter auf verschiedenen Graphensubstraten und deren Charakterisierung mittels fortgeschrittener Rastersondenmikroskopietechniken. Auf den Saphirsubstraten bildeten sich zunächst inselartige Kristallite, welche sich später zu polykristallinene Schichten zusammenschlossen, die die gesamte Oberfläche bedeckten. Auf den 2D Substraten formten die Moleküle jedoch sehr lange, nadelartige Kristallite mit einer klaren Ausrichtung entlang der hochsymmetrischen Kristallrichtungen der 2D Gr- und hBN Substrate. Zunächst wurde das Wachstum von unpolaren Parahexaphenyl (6P) Molekülen auf hBN erforscht. Morphologische Untersuchungen in Kombination mit ab-initio Berechnungen offenbarten die Mechanismen der substrat-induzierten Selbstordnung der Nanostrukturen auf hBN. Diese Experimente, zusammen mit weiteren Versuchen zum Ladungsaustausch an der 6P/hBN Grenzfläche sowie zur Nanomanipulation der 6P Nadeln auf Gr und hBN waren der Ausgangspunkt der Wachstumsexperimente mit den polaren Molekülen. Das Hauptresultat des Projektes war die Aufklärung der Mechanismen hinter der Selbstordnung und Ausrichtung von Dihydrotetraazaheptacen auf Gr und hBN. In weiteren Untersuchungen zu optoelektronischen Eigenschaften dieser kristallinen Nanonadeln auf isolierendem hBN konnte erstmals eine Modulation der Leitfähigkeit durch ein "Lichtgatter" gezeigt werden. Einfallendes Licht erhöht die Leitfähigkeit der Nanostrukturen um fast drei Größenordnungen. Sogar selektive Ladungsausbreitung entlang ausgewählter Richtungen innerhalb selbstorganisierter Nanokristallnetzwerke konnte durch polarisiertes Licht bewerkstelligt werden.