Neue Strategien zur Kontrolle von Elektrodeneigenschaften mittels SAMs

Kovalent gebundene, selbstassemblierte Monolagen (SAMs) werden in der molekularen und organischen Elektronik zur Veränderung der elektronischen Eigenschaften von Grenzflächen eingesetzt oder fungieren als aktive Teile nanoskaliger Bauelemente. Von besonderem Interesse sind dabei Monolagen, die an Metallelektroden gebunden sind, da sie sowohl zur Kontrolle der Ladungsträgerinjektionseigenschaften als auch zur Untersuchung fundamentaler Aspekte von Ladungstransportprozessen durch Moleküle geeignet sind. Die dabei typischerweise verwendeten dipolaren Substituenten reduzieren allerdings Fähigkeit dieser Schichten sich geordnet auszubilden. Um dieses Problem zu lösen, sollen im Rahmen dieses Projekts neuartige Monolagen entwickelt werden, in denen die Dipolabstoßung entweder durch eine Verteilung des Dipolmoments über das gesamte Molekül vermindert wird oder in denen Wasserstoffbrücken die Schichten stabilisieren. Letzteres soll in Systemen realisiert werden, die Pigmenten wie beispielsweise Indigo ähneln und deren enormes Potential für die organische Elektronik kürzlich gezeigt wurde. Als Folge der ungewöhnlichen intramolekularen chemischen und elektrostatischen Wechselwirkung in solchen Systemen werden sich Schichten mit neuartigen Eigenschaften realisieren lassen. Um das volle Potential des geplanten Forschungsvorhabens zu realisieren, werden im aktuellen Projekt die ideal komplementären Expertisen von sechs Forschergruppen kombiniert: In der Gruppe von A. Terfort (Frankfurt) werden die nötigen Moleküle synthetisiert werden, wobei es auch um die Entwicklung vielseitig anwendbarer Synthesestrategien geht. M. Zharnikov (Heidelberg) und seine Mitarbeiter werden Strategien entwickeln, um das Filmwachstum zu optimieren, sie werden die strukturellen und elektronischen Eigenschaften der SAMs charakterisieren und zusammen mit R. Resel (Graz) die strukturellen Eigenschaften von auf den Monolagen wachsenden organischen Halbleitern untersuchen. E. Zojer (Graz) und seine Gruppe werden mit Hilfe atomistischer Simulationen die vielversprechendsten Moleküle noch vor deren Synthese identifizieren und daneben auch einen entscheidenden Beitrag zur interpretation der experimentellen Ergebnisse liefern. K. Zojer (Graz) und ihre Studenten werdensimulieren, wie sich durch das Einbringen der SAMs die Ladungsträgerinjektionseigenschaften (insbesondere auch für lateral inhomogene Filmeigenschaften) ändern und B. Stadlober (Weiz) und ihre Gruppe werden aufklären, inwieweit die veränderten Elektrodeneigenschaften tatsächlichLadungsträgerinjektion und Filmwachstum in echten Bauelementen beeinflussen. Durch die direkte Kombination verschiedener experimenteller und theoretischer Techniken erwarten wir noch nie da gewesene Einsichten in die strukturellen und elektronischen Eigenschaften selbstassemblierter Monolagen, die deren Anwendung in Bauelementen stimulieren wird, und auch ein für Studenten besonders interessantes, multi-disziplinäres Forschungsumfeld.

Ladungsträgerinjektion ist ein entscheidender Prozess in praktisch allen elektronischen Bauelementen. Diesen Prozess zu kontrollieren stellt insbesondere für organische Halbleiter eine große Herausforderung dar, da man diese im Gegensatz zu konventionellen, anorganischen Halbleitern nicht einfach in der Nähe der Kontakte dotieren kann. Im aktuellen Projekt wurde deshalb eine alternative Strategie zur Verbesserung der Ladungsträgerinjektion entwickelt. Dies basiert auf der Adsorption sogenannter polarer selbstassemblierter Monolagen. Der besondere Vorteil des von uns entwickelten Zugangs ist dabei, dass die polaren Elemente, die die Injektionsbarrieren vermindern, in die Rückgrate der verwendeten Moleküle eingebaut wurden. Dadurch gelang es uns, die Kontaktwiederstände durch elektrostatische Effekte um mehrere Größenordnungen zu verändern. Wir zeigten außerdem, dass sich die Methodik auch für mechanisch flexible elektronische Schaltungen anwenden lässt und dass ihr Einsatz nicht auf den Bereich der organischen Halbleiter beschränkt ist. Von besonderer Bedeutung für unsere Arbeiten ist, dass es uns nicht nur gelang, einen praktisch relevanten Effekt zu demonstrieren, sondern dass wir dessen Ursache auch auf einem subatomaren Niveau beschreiben konnten. Um dies zu erreichen war die Zusammenarbeit mehrere Gruppen aus Deutschland und Österreich unerlässlich, wobei wir die gesamte "wissenschaftliche Wertschöpfungskette" abdeckten. Dies begann mit der chemischen Synthese der verwendeten Moleküle und deren Selbtassemblierung (durch A. Terfort und seine Gruppe an der Universität Frankfurt), involvierte die spektroskopische Untersuchung der Schichten mit oberfächenphysikalischen Methoden (durch M. Zharnikov und Mitarbeiter an der Universität Heidelberg), die strukturelle Untersuchung der auf den Monolagen wachsenden Halbleiterschichten (durch R. Resel von der Technischen Universität Graz), die quantenmechanische Simulation der elektronischen Eigenschaften der Monolagen (durch E. Zojer und seine Arbeitsgruppe an der TU Graz) und umfasste auch die Herstellung von Bauelementen (durch Barbara Stadlober und ihre KollegInnen von Joanneum Research) und deren Simulation (durch Karin Zojer und ihre Mitarbeiter von der TU Graz). Durch diese Untersuchungen gelang es uns, ein detailliertes Verständnis dafür aufzubauen, wie die Moleküle chemisch aufgebaut sein müssen, um die anvisierten Ziele zu erreichen. Unsere Arbeiten vertieften auch das Verständnis der an Grenzflächen omnipräsenten kollektiven elektrostatischen Effekte und zeigten klar auf, dass diese fundamental die Ergebnisse von Röntgenphotoelektronenspektroskopie(XPS)experimentn beeinflussen. Hier gelange es uns durch die gezielte Kombination theoretischer und experimenteller Untersuchungen für mehrere Systeme klar aufzuzeigen, dass für die Ergebnisse von XPS Untersuchungen nicht nur (wie üblicherweise angenommen) die chemische Umgebung eines untersuchten Atoms relevant ist. Vielmehr kann auch das, durch die Adsorption polarer Schichten stark veränderte, lokale elektrostatische Potential die Ergebnisse derartiger Messungen massiv beeinflussen. Die Ergebnisse unserer Arbeiten wurden in zahlreichen Artikeln in angesehenen Fachzeitschriften veröffentlicht, wurden als (eingeladene) Vorträge auf Konferenzen präsentiert und motivierten einige uns auch zur Einreichung eines Nachfolgeprojekts.