Einstellung der Interaktionsstärke an Organisch/Anorganischen Grenzflächen

Für die Grundlagenforschung stellen Grenzflächen zwischen organischen Molekülen und anorganischen Substraten eine besonders interessante und vielfältige Systemklasse dar, da Flexibilität der organischen Chemie es erlaubt, die Stärke der Wechselwirkung zwischen den beiden Komponenten systematisch zu variieren. Zudem ergänzen sich die Eigenschaften von organischen und anorganischen Material oftmals, was bereits zu vielen marktreifen Anwendungen, wie etwa organische Leuchtdioden oder photovoltaische Zellen. Damit solche und auch andere, im Entstehen befindliche Technologien durchsetzen können ist es unabdingbar, ein besseres Verständnis der quantenmechanischen Prozesse dieser Grenzflächen bereits auf atomistischer Ebene aufzubauen. So können beispielsweise für physisorbierte und schwach chemisorbierte Systeme zwei verschiedene Phänotypen von Ladsungstransfer beobachtet werden. Bei unreaktiven, halbleitenden Substraten ist die transferierte Ladung in dem organischen Material stark auf einigen, isolierten Einheiten lokalisiert. Im Gegensatz dazu ist die bei der Adsorption auf schwach reaktiven metallischen Substraten, wie etwa Münzmetallen, die Ladung üblicherweise stark über die organische ausgeschmiert, das heißt delokalisiert. Unklar ist mithin, wie sich beispielsweise entartet gedopte Halbleiter, die eine quasi-metallische Leitfähigkeit zeigen, verhalten. Das Ziel dieses Projektes ist es, durch ab initio Simulationen größtenteils auf Basis der Dichtefunktionaltheorie zu untersuchen, wie sich einerseits die Ladungslokalisation verändert, wenn Natur und Stärke der Wechselwirkung zwischen Organik und Anorganik nach und nach verändert werden, anderseits wie diese Lokalisierung wichtige Observablen an der Grenzfläche beeinflusst. Um diese Veränderung herbeizuführen, wird die Adsorption von konjugierten organischen Molekülen auf Halbleitern mit unterschiedlicherDopingkonzentrationsowieaufMetallen,derenReaktivitätdurch Legierungsbildung modifiziert wird, untersucht. Ein dritter Zugang ist die Reduktion der Wechselwirkung durch Abstandshalter, d.h. durch voluminöse Gruppen, die an die organischen Moleküle angehängt werden und dadurch den Überlapp der Wellenfunktion von Substrat und Adsorbat reduzieren. Abgesehen von dem Mehrwert durch ein verbessertes fundamentales Verständnis von Oberflächen und Grenzflächen im Allgemeinenwird dieses Projekt das wichtige Erkenntisse über der grundlegende Prozesse an Grenzflächen, welche direkt für entstehende Technologie, wie organischen Thermoelektrika oder Spintronics von Bedeutung sind, generieren. Zudem werden im Rahmen des Projekts werden die Ergebnisse der Dichtefunktionaltheorierechnungen systematisch durch Simulationen auf Basis der Vielteilchenstörungstheorie validiert, wodurch ein weiter Impetus für die Methodenentwicklung entsteht.

In dem kürzlich abgeschlossenen Projekt ging es um die Fragestellung, ob bzw. wie es möglich ist, den Ladungstransfer zwischen zwei Materialien fundamental zu verändern, indem man die Stärke der Wechselwirkung zwischen ihnen durch geeignete chemische Modifikationen gezielt einstellt. Ausgangspunkt für diese Fragestellung war die oft gemachte experimentelle Beobachtung, dass der Ladungstransfer zu organischen Materialien, wie sie in vielen modernen Anwendungen der Nanotechnologie verwendet werden, stark davon abhängig ist, auf welcher Art von Substrat sie aufgebracht werden: Wenn sie auf hochreinen, chemisch reaktiven Metallen aufgebracht werden, erhält das organische Material oft nur wenig, stark ausgeschmierte Ladung. Findet dagegen das Aufbringen auf chemisch trägeren Halbleitern statt, findet man, dass innerhalb des Materials einzelne Moleküle stark geladen werden, andere aber völlig unbeeinflusst bleiben. Eines der interessantesten Resultate dieses Projekts ergab sich aus der Untersuchung, was passiert, wenn man ein Metallsubstrat langsam in einen Halbleiter umwandelt. Das kann beispielsweise durch Oxidation (d.h. rosten) geschehen. Während dieses Übergangs stellt sich ein völlig neuer Mechanismus, der in keinem der in der Literatur beschriebenen Modelle vorkommt ein. Von besonderem Interesse hier ist, dass es zu besonders starkem Ladungstransfer in Situationen kommt, wo die etablieren Modelle ein völliges ausbleiben vorhersagen würden. Ein weiteres wichtiges und unerwartetes Resultat dieses Projekts ist die Beobachtung, dass die beiden eingangs erwähnten Ladungstransfermechanismen nicht notwendigerweise in Konkurrenz zueinander stehen, sondern auch innerhalb einer entsprechend geeigneten Materialkombination gemeinsam auftreten können. Besonders relevant ist das, wenn sowohl positive als auch negative Ladung an der Grenzfläche zwischen Substrat und organischem Material übertragen werden. Hier ist es beispielsweise möglich, die positive Ladung ausgeschmiert zu übertragen, während die negative Ladung nur auf einzelnen Molekülen bleibt. Dies führt zu einem deutlich höheren Ladungskontrast, als dies bei normalen Grenzflächen der Fall wäre. Beide Ergebnisse verdienen besondere Beachtung, da sie nicht nur für die Grundlagenwissenschaft, sondern auch für die technische Anwendung besonders wichtig sind. Gerade leicht oxidierte Materialien finden sich oft bei der Herstellung oder der Alterung von organischen Bauteilen, wie sie beispielsweise in OLED-Fernsehern verwendet werden. Daher erwarten wir, dass die Ergebnisse aus diesem Projekt sowohl der Oberflächenphysik als auch der Industrie hilfreiche Impulse vermitteln werden.