Organische Moleküle auf Transparenten Leitfähigen Oxiden: Grundlegende Studien

Transparente und elektrisch leitfähige Oxide (TCO) sind typische Kontaktmaterialien in optoelektronischen Beuelementen,wiezumBeispiel Leuchtdioden,Solarzellen und Flüssigkristallbildschirmen. Die Art der Grenzfläche, die von einem TCO und einem organischen Dünnfilm gebildet wird, ist maßgeblich für Ladungstransport und Lichtemission verantwortlich. Deswegen ist es unerlässlich diese Grenzfläche nicht nur zu untersuchen sondern auch zu verstehen. Studien mit Metalloberflächen haben zu einer Vielzahl an Orientierungen und Strukturen der organischen Moleküle geführt, die sich aus der Konkurrenz der Wechselwirkungen, nämlich Molekül-Substrat und Molekül-Molekül, ergeben. Derzeit gibt es kaum Studien zu organischen Molekülen auf TCOs, was einerseits daran liegt, dass die Präparation von sauberen und wohldefinerten TCO Oberflächen herausfordernd ist, andererseits gehen die Forschungsrichtungen zu organischen Dünnschichten und Metalloxidoberflächen getrennte Wege mit nur wenigen Gemeinsamkeiten. Deswegen habe ich vor, mithilfe dieses Projektes meine Erfahrung mit organischen Schichten und Oxidoberflächen zu vereinen. Dieses Projekt wird die Adsorption von repräsentativen, in Bauelementen verwendeten konjugierten organischen Molekülen auf idealen TCO Oberflächen untersuchen. Der Schlüssel dazu sind In 2O3 Einkristalle, deren Oberfläche ich dank meiner Postdoc-Zeit hier an der TU Wien reproduzierbar und verlässlich präparieren kann. Wohldefinierte Oberflächen sind die Grundlage um die atomare Struktur an der TCO/organischen Grenzfläche zu untersuchen und verstehen. Dies ist auch die Bedingung um theoretische Berechnungen für ein tiefergehendes Verständnis der Prozesse auf atomarer Ebene durchführen zu können. Es wir spannend sein, den Einfluss der stark korrugierten Potentialhyperfläche und der Bandlücke des Metalloxids auf die geometrischen und elektronischen Eigenschaften zu erforschen. Modernste oberflächenphysikalische Methoden wie Rastertunnel- mikroskopie, die Beugung von niederenergetischen Elektronen und Photoelektronemissions- mikroskopie werden herangezogen werden um Morphologie und Struktur zu erforschen. Die elektronischen Eigenschaften werden mit Photoelektronenspektroskopie untersucht, um die Wechselwirkung mit der TCO Oberfläche und innerhalb der organischen Lage zu quantifizieren. Dazu werden organische Schichten beginnend bei Submonolagen bis hin zu einigen Nanometer Dicke untersucht, um den Unterschied zwischen der Grenzschicht und dem organischen Dünnfilm zu sehen. Die Bewilligung dieses Antrags ist das Sprungbrett, das ich benötige um meine eigene unabhängige Forschung zu betreiben, die meine bisher erworbenen Fähigkeiten vereint. Die experimentelle Forschung wird in drei Arbeitsgruppen mit Spezialisten für Metalloxide und organische Oberflächen durchgeführt werden. Die Zusammenarbeit mit meiner Mentorin Prof. Ulrike Diebold steht dabei im Vordergrund; zusätzlich werden Prof. Georg Koller und Hans-Peter Steinrück (Auslandsaufenthalt) einbezogen werden und Prof. Bernd Meyer wird theoretische Berechnungen beisteuern. Mit der Unterstützung von diesen vier herausragenden Wissenschaftler bin ich zuversichtlich, einen bedeutenden Beitrag in diesem technologisch wichtigen Gebiet leisten zu können.

Das Projekt Organische Moleküle auf Transparenten Leitfähigen Oxiden: Grundlegende Studien hat erstmals die Adsorption von organischen Molekülen auf der In2O3(111) Oberfläche erforscht. Die Bedeckung des organischen Materials reichte von einzelnen Molekülen bis hin zum Wachstum der ersten geschlossenen Moleküllage auf In2O3(111). Unsere Untersuchungen lieferten geometrische und elektronische Informationen zu den einzelnen Bedeckungen. Generell trägt dieses Projekt dazu bei, die Wechselwirkung von organischen Molekülen mit der In2O3(111) Oberfläche besser zu verstehen. Die experimentelle Forschung basierte auf modernsten Methoden der Oberflächenphysik im Ultrahochvakuum, der Fokus lag dabei auf bildgebenden Methoden (Rastertunnelmikroskopie und Rasterkraftmikroskopie). Drei Moleküle wurden untersucht: (1) para-Sexiphenyl, ein stabförmiges Molekül bestehend aus sechs Phenylringen, das als eines der ersten organischen Moleküle für blaue Leuchtdioden verwendet wurde; (2) Cu- Phthalocyanin, ein kreuzförmiges Molekül mit einem Kupferatom im Zentrum; es wird in Solarzellen zur Absorption des Sonnenlichts verwendet; (3) PTCDA, ein ebenes rechteckiges Molekül, das als Photokatalysator zum Spalten von Wasser verwendet wird. Die meisten Experimente wurde sowohl auf der reinen In2O3(111) Oberfläche, als auch auf der hydroxylierten (mit OH-Gruppen bedeckten) Oberfläche durchgeführt. Dafür wurde zuerst die Dissoziation von Waser auf In2O3(111) charakterisiert. Die Oberfläche ist im gesättigten Zustand von geordneten OH-Gruppen bedeckt, was drei Wassermolekülen pro Einheitszelle entspricht. Untersuchungen der OH-Gruppen gaben Einblick in die Reaktivität der Sauerstoffatome der Oberfläche. Dies ist für zukünftige Forschungsthemen, die Adsorptionsprozesse auf In2O3(111) beinhalten, von großer Wichtigkeit. Die untersuchten organischen Moleküle adsorbieren auf beiden Oberflächen (sauber, hydroxyliert) in flachliegender Geometrie und in wohldefinierten Adsorptionsplätzen. Die Größe der Oberflächeneinheitszelle (die vergleichbar zur Größe der Moleküle ist) und ihre Inhomogenität (es gibt Regionen mit Sauerstoff- bzw. Indiumatomen in der obersten Lage) spielen eine wichtige Rolle in der Wahl des Adsorptionsplatzes. Auf der OH-bedeckten Oberfläche wurden neben den Molekülen Fehlstellen in der OH-Lage entdeckt, die möglicherweise die Moleküle an ihrer Diffusion hindern. Auf der reinen Oberfläche ist vermutlich eine bestimmte Region der Einheitszelle (die mit Indiumatomen) für die Verankerung von Phenylringen (die Teil der Moleküle sind) verantwortlich. Abschließend kann ich sagen, dass durch dieses Projekt atomare Prozesse auf der In2O3(111) grundlegend erforscht werden konnten, wobei der Fokus der Forschung auf der Adsorption von anwendungsrelevanten organischen Molekülen lag. Ich bin dem FWF dankbar, dass ich diese Gelegenheit hatte.