Lichtunterstütztes Wachstum von organischen Filmen

Konjugierte organische Systeme sind ein interdisziplinäres Forschungsgebiet zwischen Festkörperphysik, Chemie, Materialwissenschaften und Bauelementephysik. Aufgrund der vielversprechenden Möglichkeiten für den Einsatz dieser organischen Halbleiter , kam es in den letzten Jahren zu verstärkten Anstrengungen, die auf dem Gebiet der "Organischen Optoelektronik" eine Art Revolution auslösten. Ursprünglich konzentrierte man sich auf die p-typ und n-typ Dotierbarkeit von konjugierten Oligomeren und Polymeren, was diesen organischen Materialien die einzigartige Eigenschaft verlieh um daraus billige Sensoren herstellen zu können. Diese Materialien konnten mit zunehmender Reinheit und kristalliner Ordnung hergestellt werden, sodaß sie nun für Optoelektronische Bauelemente wie Photodioden, Solarzellen, Leuchtdioden, Laser, und organische integrierte Schaltungen verwendet werden können, und somit zu einer Schlüsseltechnologie für das 21. Jahrhundert geworden sind. Motiviert durch das hohe Anwendungspotential dieser Materialien, beschäftigt sich ein wesentlicher Teil der heutigen Forschung auf diesem Gebiet mit dem Wachstum von kristallin geordneten dünnen Filmen aus kleinen Molekülen. Die molekulare Packung und die Struktureigenschaften solcher Schichten sind ganz entscheidend für deren optische und elektrische Eigenschaften und konsequenterweise für deren Verwendbarkeit in optoelektronischen Bauelementen. Es wird allgemein angenommen, daß die Herstellung von kristallin geordneten organischen Schichten sehr stark von den Wachstumsparametern, von der Symmetrie und Größe der Moleküle und deren Wechselwirkung untereinander abhängt. Eine bisher noch nicht verwendete Alternative, die Wechselwirkung zwischen den angelagerten Molekülen und den Substratbausteinen gezielt zu beeinflussen ist das sogenannte "Photonenunterstützte Wachstum" , wobei durch Einstrahlung von Licht während des Schichtherstellung der Wachstumsprozess entscheidend beeinflußt werden kann. Diese Einflüsse sind bereits von anorganischen Systemen bekannt und sollen im Rahmen diese Projekts erstmals auf organische Schichten angewandt werden.

Aufgrund ihres interdisziplinären Charakters haben organische Halbleiter die Aufmerksamkeit vieler Wissenschafter erweckt und eine Entwicklung in Richtung "Organische Elektronik" bewirkt. Wegen der fortschreitend verbesserten Materialeigenschaften sind die organischen Halbleiter für die Herstellung elektronischer Bauelemente und sogar von integrierten Schaltungen geeignet. Die weitere Entwicklung dieser Bauelemente wird aber wesentlich von der Verfügbarkeit von hoch qualitativen einkristallinen epitaktischen Schichten aus diesen Materialien abhängen. Ähnliche Probleme wurden für anorganische Halbleitermaterialien bereits gelöst, aber diese Methoden sind für organische Materialien nicht optimal. Der wesentlichste Unterschied zwischen organischen und anorganischen Materialien liegt in ihren unterschiedlichen Bindungsmechanismen. Dies bedeutet, dass das Wachstum von organischen Schichten bei vergleichbar niedrigen Temperaturen erfolgen soll. Eine der grundlegenden Ideen dieses Projekts war es die Bindung der am Substrat auftreffenden Moleküle zu verstärken und damit eine Verbesserung des epitaktischen Wachstums zu erzielen. Es wurde erwartet, dass die Anregung der Moleküle mit Licht einen verbesserten Einbau der Moleküle in die entstehende Schicht bewirken soll. Weiters besteht die Möglichkeit, dass bei gleichzeitigem Aufwachsen einer anderen Molekülsorte ein Ladungstransfer zwischen den Molekülen durch die Absorption des Lichtes eingeleitet wird, der dann der Bindung einen ionischen Charakter verleiht, wodurch die Anbindung der Moleküle an das Substrat wesentlich verstärkt werden sollte. Zunächst musste aber das Wachstum von organischen Schichten ohne Licht so gut und reproduzierbar beherrscht werden, um die statistischen Fluktuationen so klein zu halten, damit die Einflüsse des Lichts beim Wachstum der Schichten auch sichtbar gemacht werden können. Diese Vorexperimente haben schon einen wesentlichen Teil der zur Verfügung stehenden Zeit in Anspruch genommen. Andererseits lieferten gerade diese Vorexperimente organische Halbleiterschichten von so hoher Qualität, dass sie für die Herstellung von Bauelementen wie Transistoren oder Laser verwendet werden konnten. Eine detaillierte Beschreibung dieser Ergebnisse findet sich im Endbericht zu Projekt P15627. Der Einfluss des Lichtes auf das epitaktische Wachstum war nicht so groß wie erwartet. Die optische Anregung der Moleküle hatte keinen Einfluss auf den Wachstumsmechanismus, nur der Ladungstransfer beim gleichzeitigen Aufdampfen von zwei verschiedenen Molekülsorten änderte die Haftung der Moleküle an der Wachstumsfront und damit das epitaktische Wachstum.