Ausrichten von organischen Nanostrukturen auf 2D Materialie

Zweidimensionale (2D) Materialien atomar dünne Schichten - wurden unlängst als funktionelle Substrate für organische Halbleiter vorgeschlagen. Übergänge zwischen diesen beiden Materialtypen weisen interessante Eigenschaften auf (sowie niedrige Injektionsbarrieren für Ladungsträger und glatte Wachstumsmorphologien) und könnten sich somit als wichtige Bauelemente für neuartige Anwendungen in der organischen Elektronik, Optoelektronik und Photovoltaik etablieren. Das hier vorgeschlagene Projekt "Ausrichten von organischen Nanostrukturen auf 2D- Materialien" befasst sich mit der Selbstorganisation von organischen Halbleiter-Nanostrukturen am Übergang zu 2D-Materialien, um damit verbesserte Wachstumsmorphologien und neuartige Heterostrukturen zu realisieren. Im Rahmen des Projektes wird untersucht, ob eine externe Kontrolle über den molekularen Ordnungsgrad möglich ist. Um dieses Ziel zu erreichen, werden drei verschiedene Ansätze, die alle auf unterschiedlichen Mechanismen basieren, verfolgt um die Selbstorganisation in situ zu unterstützen, indem sie: elektrische Felder, axiale Dehnung und polarisiertes Licht anwenden. Im Projekt 2D-Materialien (Graphen, Phosphoren, Molybdändisulfid und hexagonales Bornitrid) als Substrate verwenden. Das Abscheiden von organischen Halbleiterstrukturen auf diesen Substraten erfolgt unter Einsatz eines Hot-Wall-Epitaxy-Systems, welches so modifiziert wurde, um ein externes Aufprägen von elektrischen Feldern, Dehnungen oder Beleuchtung durch polarisiertes Licht während des Wachstums zu ermöglichen. Die Charakterisierung der erhaltenen Strukturen erfolgt durch elektrische Messungen, Rastersondenmikroskopietechniken, sowie konfokaler und Tip-Enhanced- Ramanspektroskopie. Bisher hat sich niemand mit der Frage der externen Ausrichtung von Molekülen auf 2D- oder van-der-Waals-Materialien auseinandergesetzt. Das Projekt erforscht neuartige und innovative Techniken, um hochgeordnete Strukturen von organischen Halbleitern zu erzeugen und wird zur Entwicklung modernste Fertigungstechniken beitragen, die eine externe Kontrolle über den Selbstordnungsprozess ermöglichen. Das Erreichen einer externen Kontrolle über die Struktur von Molekülkristallen am Übergang zu 2D- und vdW-Materialien könnte sowohl das grundlegende Verständnis dieser Übergänge als auch die Entwicklung, Implementierung und Kommerzialisierung von organischen Halbleitern und 2D-basierten Technologien stark beeinflussen. Die innovativen Wachstumstechniken, die im Rahmen des Projektes entwickelt werden, können in einfacher Weise in die Herstellungsprozesse für die organische Elektronik integriert werden. Somit reichen die Auswirkungen des Projektes über rein wissenschaftliche Fragestellungen hinaus und beeinflussen auch Gebiete wie die Anwenderelektronik und damit unseren Alltag. Darüber hinaus wird das Projekt die wissenschaftliche Karriere des Bewerbers stark positiv beeinflussen - es wird ihm ermöglicht, an der vordersten Front seines Forschungsfeldes zu arbeiten - und wird in hohem Maß zur Spitzenforschung an der Gastinstitution beitragen, indem neue Wege erschlossen und neue Methoden eingeführt werden.

Das Projekt im Rahmen des Ausbildungs- und Karriereförderungsprogramms "Lise Meitner" des FWF mit dem Titel: "Optimierung der Anordnung organischer Nanostrukturen auf 2D-Materialien" zielte auf das Verständnis der möglichen Mittel zur Kontrolle der molekularen Selbstorganisation auf zwei-dimensionalen (2D) Materialien ab. Das Projekt trug dazu bei, das Wissen über diese Interaktionsstellen zu erweitern und sie zukünftigen elektronischen Anwendungen näher zu bringen. 2D-Materialien sind isolierte Einzelschichten aus Schichtkristallen. Diese Schichten setzen ihre Atomstruktur, üblicherweise in einer wabenartigen Anordnung von Atomen, den Oberflächenadsorbaten aus. Kleine molekulare organische Halbleiter ähneln 2D-Materialien, da das molekulare Grundgerüst den Strukturen der 2D-Substrate ähnelt. Wenn diese Moleküle im Hochvakuum und bei erhöhten Temperaturen auf den 2D-Substraten adsorbieren, haben sie "die Freiheit", sich auf der Oberfläche zu bewegen und die am besten geeigneten Stellen für die Adsorption zu finden. Diese Punkte minimieren die Interaktionsenergie und können als Anpassung von Puzzleteilen betrachtet werden. Sobald die ersten Moleküle adsorbieren, folgen die weiteren Moleküle dem Keim und bilden einen organischen Kristall. Dies ist ein bekanntes Phänomen, das als Epitaxie oder Registrierungswachstum bezeichnet wird. In Anbetracht der speziellen Systeme, auf die das Projekt abzielte (2D-Materialien und kleine stabförmige Moleküle), gibt es normalerweise sechs äquivalente Registrierungszustände. Dies bedeutet, dass die wachsenden organischen Kristalle keine zufällige Orientierung auf dem Substrat haben, sondern nur in sechs vordefinierten Richtungen wachsen. Wenn wir Anwendungen in der integrierten Elektronik betrachten, sind sechs Richtungen nicht allzu weit vom Zufall entfernt, und wir können von diesen Systemen nicht vollständig profitieren. Wenn jedoch eine inhärente Ordnung vorliegt, kann es auch eine Möglichkeit geben, diese mit externen Faktoren zu steuern. Genau das war das Ziel dieses Projekts. Innerhalb des Projekts wurden drei externe Faktoren während des Wachstums steuerbar und unabhängig voneinander eingeführt: elektrische Felder, Dehnung des Substrats und linear polarisiertes Laserlicht. Die ersten beiden Methoden haben unklare Ergebnisse hinsichtlich der Kontrolle der Ordnung organischer Kristalle gezeigt. Die letzte Methode zeigte einen vielversprechenden Weg für das Wachstum selbstausgerichteter organischer Kristalle, die nicht sechs gleiche Richtungen haben, sondern nur eine oder zwei. Unsere Ergebnisse könnten zu einer zukünftigen Entwicklung von Nanotechnologien und integrierten elektrischen Komponenten durch lichtgeführte Selbstorganisation führen. Die Technologien, die wahrscheinlich von diesen Fortschritten profitieren, sind flexible und tragbare Elektronik, Sensoren und Multisensor-Chips.