Elektrostatisches Design von Materialien

Typischerweise verlässt man sich bei der Entwicklung neuer Materialien für die organische und molekulare Elektronik auf wohl etablierte Strategien, wie die kontrollierte Einstellung des Grades an -Konjugation, die chemische Substitution mit funktionalen Substituenten hoher bzw. niedriger Elektronendichte und den gezielten Einsatz organischer Heterozyklen. Ziel dieses Projekts ist es, das Potential eines radikal anderen Zuganges aufzuzeigen: Wir werden die Nützlichkeit so genannter kollektiver elektrostatischer Effekte zur gezielten Manipulation und Einstellung physikalischer Materialeigenschaften aufzeigen. Diese Effekte entstehen als Folge der Überlagerung der Felder geordneter zweidimensionaler Anordnungen polarer Molekülbausteine. Um die Möglichkeiten dieser Strategie aufzuzeigen, werden wir eine Vielzahl an quantenmechanischen Simulationstechniken auf eine Reihe von organischen und organisch-anorganischen Hybridsystemen anwenden. Durch die lokale Manipulation der Energie elektronischer Zustände verknüpft mit der daraus resultierenden Lokalisierung der Orbitale in wohl definierten räumlichen Bereichen werden wir Strategien aufzeigen, wie sich auf diese Weise Objekte mit komplexen elektronischen Eigenschaften realisieren lassen. Diese umfassen beispielsweise Quantenkaskaden, Typ-2 Monolagenquantentröge, 3D Materialien mit energetisch gegeneinander versetzen Säulen -gekoppelter Heterozyklen und quasi eindimensionale Elektronen- und Lochdrähte, die durch geordnete polare Adsorbate in zweidimensionalen Halbleiterschichten eingeschrieben werden. In diesen Strukturen erwarten wir eine Kontrolle über ballistische Transporteigenschaften, die Energetik sogenannter Ladungstransfer- Exzitonen und die örtliche Lokalisierung von Überschussladung erreichen zu können. Das primäre Ziel des Projektes ist es, das Potential eines neuartigen Schemas zur Kontrolle von Materialeigenschaften zu evaluieren. Dementsprechend werden wir es auf verschiedene Typen von Materialien aus den Gebieten der organischen, molekularen und Hybridelektronik anwenden. Außerdem werden wir einen weiten Bereich an Materialeigenschaften simulieren. Dies wird die Berechnung der elektronischen Struktur und Orbitallokalisierung, die Simulation ballistischer Transportprozesse und die Beschreibung von Anregungen umfassen. Dementsprechend erwarten wir vom vorliegenden Projekt auch tiefgehende Einsichten, was die Verwendung verschiedener theoretischer Methoden zur zuverlässigen Simulation komplexer Hybridmaterialien betrifft. Eine große Stärke wird in dem Kontext die umfangreiche Erfahrung des Antragstellers mit organischen Halbleitermaterialien sein. Diese umfasst einerseits die Simulation von deren Eigenschaften mit verschiedensten Techniken, andererseits aber auch deren experimentelle Untersuchung mit spektroskopischen Methoden und die Entwicklung unkonventioneller Bauelementkonzepte. Diese Erfahrungen werden ideal durch die Expertise mehrerer internationaler Kooperationspartner ergänzt.

Ein isolierter Dipol generiert ein elektrisches Feld. Dieses fällt allerdings sehr schnell mit dem Abstand vom Dipol ab. Diese Situation ändert sich fundamental, wenn man Dipole in zweidimensionalen Schichten anordnet. Dann beobachtet man (unendlich) ausgedehnte Stufen in der elektrostatischen Energie, die die elektronischen Zustände in Materialien unterhalb der Dipolschichten relativ zu denen in Materialien oberhalb der Dipolschichten verschieben. In so einem Fall spricht man von kollektiven (oder kooperativen) elektrostatischen Effekten, die beispielsweise an Grenzflächen zwischen Metallkontakten und organischen Halbleitern omnipräsent sind. Solche Grenzflächen findet man in AMOLED Bildschirmen in Mobiltelefonen oder in Prototypen organischer Solarzellen. Ziel des nun abgeschlossenen Projekts war es, solche Effekte besser zu verstehen und insbesondere Strategien zu entwickeln, wie sie ausnützt werden können, um Materialien mit neuartigen Eigenschaften zu erzeugen. Dazu wurden hoch komplexe Computersimulationen unter Berücksichtigung der quantenmechanischen Natur der Materialien an Österreichs leistungsfähigsten Supercomputer (dem Vienna Scientific Cluster) durchgeführt. Mit Hilfe dieser Simulationen konnten wir beispielsweise zeigen, wie die relative Anordnung der elektronischen Zustände in so genannten van der Waals Heterostrukturen durch das Einbringen polarer Zwischenschichten gezielt eingestellt werden kann. Dies erlaubt beispielsweise zwischen Strukturen zu "schalten", die besonders effizient Ladungsträger trennen (wie dies beispielsweise für Solarzellen interessant ist) oder die Ladungsträger effizient rekombinieren lassen (wie dies für lichtemittierende Bauelemente wichtig ist). Ähnliche Konzepte konnten wir auch für kovalente organische Netzwerke und für Metall-organische Netzwerke vorschlagen, die wohl zu den interessantesten Strukturen zählen, die man durch Selbstassemblierungsprozesse erzeugen kann. Hierbei kombiniert man metallische Knoten mit organischen Linkern und erzeugt damit hochporöse Strukturen, die an die Stahlskelette von Wolkenkratzern erinnern. Mit dem von uns vorgestellten Zugang ist es auch in solchen Materialien möglich, die elektronischen Zustände in benachbarten, nominell identen Einheiten gegeneinander zu verschieben und auf diese Weise zum Beispiel Strukturen zu erzeugen, deren Banddiagramme an so genannte p-i-n Dioden erinnern. Diese sind in konventionellen Solarzellen und Photodetektoren omnipräsent, können allerdings mit elektrostatischem Design ohne die sonst notwendige Dotierung der Halbleitermaterialien realisiert werden. Die dabei realisierten polare Netzwerke haben außerdem ein enormes Potential für Anwendungen in der nichtlinearen Optik. Abschließend sei noch erwähnt, dass das Projekt in ein Netzwerk internationaler Kooperationen eingebettet war und dass die erzielten Ergebnisse auf zahlreichen Konferenzen präsentiert und in mehreren Artikeln publiziert wurden.