Defekte in organischen Monolagen

Organisch-elektronische Bauelemente, die auf einer Kombinationaus organischem und anorganischem Material basieren, finden sich in immer mehr High-Tech Produkten. Organische Displays werden regelmäßig in Smartphones eingebaut, während Prototypen für Smart Clothing häufig auf Messen und Pressekonferenzen vorgestellt werden. Weitere, derzeit noch exotische Anwendungen, befinden sich noch im Konzeptstadium. Ein gemeinsamer Nenner für alle genannten Anwendungen ist Grenzfläche zwischen Organik und Anorganik, welche den limitieren Faktor für Ladungs- und Energietransport darstellt. Viele theoretische Studien, die sich mit diesen Grenzflächen auf atomarer Ebene befassen, legen idealisierte, wohlgeordnete Grenzflächen zu Grunde. Aufgrund von Entropie befinden sich in Wirklichkeit aber immer einige, wenn nicht sogar die meisten Moleküle, in einer anderen Geometrie als ihre Umgebung und bilden Defekte oder gar amorphe Strukturen. Solche Defekte können den Ladungs- und Energietransport über die Grenzfläche massiv beeinflussen. Das Ziel des vorliegenden Projektes ist es, solche Defekte und Unordnungseffekte in atomistischen, quantenmechanischen Rechnungen zu berücksichtigen und ihren Einfluss auf Transporteigenschaften zu studieren. Die größte Herausforderung dabei ist es, die Natur und Struktur der Defekte akkurat zu bestimmen. Aufgrund der großen Vielfalt, wie sich Moleküle auf Oberflächen anordnen können, ist es notwendig, dafür eine eigene, speziell zugeschnittene Strategie zu entwerfen. Der grundlegende Ansatz ist es, zuerst zwischenmolekulare Wechselwirkungen komplett zu vernachlässigen und potentielle Adsorptionsgeometrien von Einzelmolekülen auf der Oberfläche zu berechnen. Der organische Film wird dann als spezifische Anordnung dieser Adsorptiongeometrien auf einem Gitternetz dargestellt. Ausgehend von der Anordnung, bei der alle Moleküle in der günstigstmoglichen Struktur sind werden einzelne Komponenten nach und nach in andere Strukturen versetzt und die Gesamtenergie des Systems berechnet. Dieser Vorgang wird solange wiederholt, bis alle energetisch günstigen Strukturen gefunden wurden. Eine Strategie zu finden, mit der diese sehr aufwändige Prozedur nur eine Mindestzahl an Schritten benötigt, ist eines der Kernziele dieses Antrags. Für alle gefundenen Strukturen wird, zeitgleich mit der Bestimmung ihrer Energie, die Wechselwirkung der Defekte mit ihrer Umgebung und die sich daraus ergebenden Eigenschaften mit Hilfe der Dichtefunktionaltheorie, einer modern quantenchemischen Methode, berechnet. Von besonderem Interesse ist dabei der Ladungszustand der Defekte, die Frage, inwiefern Defekte und Unordnung die energetische Position der quantenmechanischen Zustände verschiebt, sowie bis zu welchem Grad Transporteigenschaften davon betroffen sind.

Organische Elektronik, die auf der Kombination von aktiven organischen Materialien mit anorganischen Elektroden basiert, nimmt eine immer wichtigere Rolle in der Hochtechnologie ein. Die meisten Studien, die sich mit diesen Grenzflächen auf der atomistischer Ebene beschäftigen, gehen implizit oder explizit davon aus, dass die Grenzflächen ideal und perfekt geordnet sind. In der Realität führen aber Temperatur und Entropie dazu, dass sich immer Defekte ausbilden. In diesem Projekt haben wir uns mit der Frage beschäftigt, welche Arten von Defekte auftreten und welchen Einfluss sie auf die elektronische Struktur von organisch-inorganischen Grenzflächen haben. Bereits die erste Frage, welche Defekte überhaupt auftreten können, ist schwierig zu beantworten, da es unzählige Möglichkeiten gibt, wie sich Moleküle auf Oberflächen anordnen können. Unser erster Schritt war daher einen Weg zu finden, die Struktur von organisch-anorganischen Grenzflächen zu bestimmen. Mit der Hilfe von Machine-Learning waren wir in der Lage, eine Methode zu entwickeln die es uns nun erlaubt, mit nur 100-200 quantenmechanischen Berechnungen die Energien von Millionen möglicher Strukturen akkurat vorherzusagen. Das daraus resultierende Softwarepacket SAMPLE (Surface Adsorbate Polymorph Prediction with Little Effort) ist frei verfügbar und kann von der Homepage des Antragsstellers heruntergeladen werden. Es ist vielseitig einsetzbar und kann beispielsweise auch verwendet, um Strukturen mit besonders vorteilhaften Eigenschaften zu finden. Eine graphische Benutzeroberfläche, die beim Einstieg in das Programm und bei seiner Anwendung helfen soll, ist gerade in Arbeit. Mit der Hilfe dieser neuentwickelten Software und in enger Zusammenarbeit mit experimentellen Kollegen haben wir im Rahmen dieses Projekts bis jetzt 9 Publikation, teilweise in hochrangingen Journalen, publiziert. Die wichtigsten Ergebnisse sollen hier herausgestrichen werden: So waren wir beispielsweise in der Lage zu zeigen, dass unregelmäßige, defekthaltige Strukturen bereits bei sehr niedrigen Temperaturen auftreten. Zudem fanden wir, dass die Adsorption von organischen Molekülen zu einem eigentlich nicht-intuitiven Defekt führen, sogenannten Adatomen, indem die Moleküle einzelne Atome aus dem Substrat ziehen, auf dem sie aufgebracht werden. Diese Defektstrukturen verändern die Bindungssituation an der Grenzfläche fundamental, was zu anderen Strukturen mit anderen Oberflächendipolen, und damit völlig anderen elektronischen Eigenschaften, führt. Auf der anderen Seiten haben wir auch den Einfluss von Defekten im Substrat betrachtet. Hier machten wir eine besonders interessante Beobachtung, nämlich dass bei sonst eigentlich inerten Materialien Defekte auf der Oberfläche zu einer Wechselwirkung mit der Organik führt, die weder bei Halbleitern noch bei sonst eigentlich eher reaktiven Metallen stattfindet. Diese Wechselwirkung kann möglicherweise ausgenutzt werden, um den Energie- und Ladungstransport über die Oberfläche zu modifizieren und somit, um neuartige funktionelle Grenzflächen für organische Elektronik zu designen.