Zuverlässige Vorhersage der elektronischen Eigenschaften von SAMs

Selbstassemblierte Monolagen (SAMs) organischer Moleküle auf (Edel)metallen sind schon seit geraumer Zeit im Zentrum des Interesses multidisziplinärer Forschungsaktivitäten. Dabei sind deren elektronische Eigenschaften von besonderer Bedeutung, vor allem dann wenn es um ihre Anwendung im Bereich der organischen und molekularen Elektronik geht. Außerdem stellen Sie als experimentell besonders umfassend und zuverlässig charakterisierte Metall/organische Grenzflächen ideale Testsysteme für eine Weiterentwicklung der entsprechenden theoretischen Methodik dar. In den letzten Jahren ist es gelungen, umfassende Einsichten in den Zusammenhang zwischen chemischen Struktur von SAMs und deren elektronischen Eigenschaften zu gewinnen. Der Versuch durch Simulationen quantitativ zuverlässige Filmeigenschaften vorherzusagen scheiterte dabei allerdings oft einerseits an der vielfach im Experiment nur schwer vermeidbaren Unordnung innerhalb der Filme. Andererseits leiden die - aufgrund der Systemgrößen typischerweise im Rahmen der (semi)lokalen Dichtefunktionaltheorie (DFT) durchgeführten Simulationen - an verschiedenen intrinsischen Problemen. Ziel des vorliegenden Projekts ist eine genaue Analyse und Korrektur dieser Unzulänglichkeiten: Dazu werden wir einerseits Moleküldynamikrechnungen durchführen um den Einfluss von Temperatur, fehlerhafter Packung und nicht perfekten Substratoberflächen auf die SAM-Struktur zu simulieren. Mit Hilfe der so gewonnen strukturellen Daten lassen sich dann weiterführende Berechnungen der elektronischen Struktur der Grenzflächen durchführen um um die Rolle struktureller "Fehler" zu charakterisieren. Parallel dazu werden wir Strategien entwickeln, um den Einfluss der Hauptprobleme (semi)lokalen DFT auf die Simulationsergebnisse zu minimieren. Dazu werden wir Methoden testen, die eine möglichst quantitative Beschreibung von van der Waals Wechselwirkungen erlauben. Außerdem werden wir unter anderem so genannte "post-DFT" Methoden und Hybridfunktionale evaluieren, die entweder das "band-gap" Problem von DFT und/oder die in DFT fehlende Beschreibung der Polarisation des Metalls durch langreichweitige Korrelationseffekte zumindest eingeschränkt behandeln können. Die geplante Forschung wird in enger Kooperation mit internationalen und nationalen Partnern durchgeführt werden, die entweder in der theoretischen oder experimentellen Charakterisierung Metall/organischer Grenzflächen tätig sind. Dies ist für das Projekt von besonderer Bedeutung, da es einerseits die Behandlung von Fragestellungen erlaubt, die in ihrer Breite in einer Arbeitsgruppe nicht möglich wären und uns andererseits die Möglichkeit gibt, die erzielten Ergebnisse durch den Vergleich mit Experimenten zu verifizieren

Organische Halbleiter spielen im täglichen Leben eine immer größere Rolle, da sie heutzutage als zentralen Elemente in faktisch allen qualitativ hochwertigen Displays für kleine mobile Anwendungen vorkommen. Auch auf organischen Leuchtdioden basierte Fernseher werden zusehends populärer und organische Halbleiter versprechen zahlreiche weitere Anwendungen, beispielsweise in Solarzellen und in der flexiblen Elektronik. Zentral für die Funktionalität all dieser Bauelemente ist die Grenzfläche zwischen den Elektroden und dem Halbleitermaterial, da dort entscheidende Prozesse wie Ladungsträgerinjektion und Extraktion stattfinden. Neben diesen mit konkreten Anwendungen verbundenen Aspekten stellen organisch-anorganische Hybridgrenzflächen auch die zentralen Bausteine in mannigfaltigen nanoskopischen Bauteilen dar.In Anbetracht der Wichtigkeit derartiger Grenzflächen befasst sich das vorliegende Projekt mit der Entwicklung von Strategien, die eine zuverlässige quantitative Vorhersage ihrer elektronischen Eigenschaften erlauben, mit der Anwendung dieser Strategien zur Entwicklung eines tiefgehenden Verständnisses für den Zusammenhang zwischen der Struktur der Grenzflächen und ihren elektronischen Eigenschaften und als Höhepunkt mit der Entwicklung neuartiger Zugänge für ein computerbasiertes Design solcher Grenzflächen. Um dies zu ermöglichen, mussten verschiedene methodische Problem überwunden werden, um die Rolle von Unordnung an den Grenzflächen abzuschätzen und grundlegende Schwachpunkte der eingesetzten Näherungen zu überwinden. Mit der Verfügbarkeit der nötigen Werkzeuge war es dann möglich, verschiedene nicht wirklich verstandene experimentelle Beobachtungen zu erklären. Diese umfassten beispielsweise das Wechselspiel zwischen Änderungen der Grenzflächenstruktur und unerwartet signifikanten Modifikationen ihrer elektronischen Eigenschaften, die Erklärung struktureller und optischer Charakteristiken komplexer, aus mehreren Komponenten bestehender Grenzflächen, oder die Aufklärung der Rolle bisher übersehener Reaktionen, die die chemische Struktur der adsorbierten Halbleitermoleküle signifikant verändern.Ein zentrales Ergebnis des Projekts war auch die Aufklärung der rolle kollektiver elektrostatischer Effekte für den ballistischen Ladungsträgertransport durch Grenzflächen und für die Bindungsenergien kernnaher Elektronen, die sonst dazu verwendet werden um die chemische Struktur der Probe zu analysieren. Aufbauend auf diesen Erkenntnissen konnten wir dann auch Strategien vorschlagen, um den Spieß umzudrehen und die an Grenzflächen unvermeidbaren, durch die regulären Anordnung polarer Elemente verursachten, Effekte zu nutzen, um ein völlig neues Konzept zu entwickeln, wie durch elektrostatisches Design Materialien mit beispiellosen Eigenschaften realisiert werden können.