Abstimmung der Energielücke

Ein neuer Ansatz für organische Halbleiter

[11.06.2021] Was für anorganische Halbleiter bereits eine etablierte Technologie ist, blieb für ihre organischen Pendants bisher eine Herausforderung: Die Bandlücke durch eine Mischung von organischen Halbleitermaterialien so genau abzustimmen, dass die Halbleiter die höchstmögliche Leistung erbringen können. Ein Team der TU München hat nun mit Partnern der TU Dresden, der Universität Würzburg, der HU Berlin und der Universität Ulm gezeigt, wie sich dieses Ziel für organische Halbleiter erreichen lässt.

Organische Halbleiter haben sich als energiesparende Materialien in organischen Leuchtdioden (OLEDs) einen Namen gemacht. Als Bauteile in Handydisplays halten wir sie täglich in den Händen. Durch ihren Einsatz in Solarzellen sind sie ebenfalls weit verbreitet. Entscheidend für die Effizienz der OLEDs ist die sogenannte Bandlücke zwischen den elektronischen Zuständen im Halbleiter. Sie bestimmt die Wellenlänge des Lichts, das ausgestrahlt oder absorbiert wird. Lässt sich diese Energielücke stufenlos einstellen, kann das Material für eine große Vielzahl technischer Anwendungen eingesetzt werden. Für anorganische Materialien gibt es längst eine entsprechende Methode - das sogenannte Blending. Es basiert auf der Beeinflussung der Bandlücke durch den Austausch von Atomen im Material. Dies ermöglicht eine stufenlose Abstimmbarkeit, wie zum Beispiel bei Aluminium-Gallium-Arsenid-Halbleitern, die in Diodenlasern oder Leuchtdioden eingesetzt werden. Leider ist dies so nicht direkt auf organische Halbleiter übertragbar. Denn diese besitzen andere physikalische Eigenschaften und sind aus Molekülen statt einzelnen Atomen aufgebaut, was eine kontinuierliche Abstimmung der Bandlücke erheblich erschwert.

In ihrer neuesten Veröffentlichung berichten Wissenschaftler:innen des Exzellenzclusters e-conversion (TU München) und der TU Dresden und gemeinsam mit Partner:innen der Universität Würzburg, der HU Berlin und der Universität Ulm, wie sie die Einstellung der Energielücke mittels Blending für organische Halbleiter erstmals realisieren konnten.

Bei anorganischen Halbleitern lassen sich die Energieniveaus durch den Austausch von Atomen gegeneinander verschieben, so dass sich die Bandlücke verkleinert. Im Gegensatz dazu ist diese Verschiebung bei organischen Halbleitern in der Regel nur konzertiert entweder nach oben oder unten möglich. Solch eine parallele Verschiebung hat jedoch keinen Einfluss auf die Bandlücke. "Es ist von großem Interesse, auch die Bandlücke der organischen Materialien durch Blending zu verändern, um die langwierige Synthese neuer Moleküle zu vermeiden", sagt Prof. Karl Leo von der TU Dresden.

Die Forscher fanden einen unkonventionellen Weg, indem sie zwei Halbleiter mit ähnlicher molekularer Struktur aber unterschiedlichen Molekülgrößen miteinander mischen. „Die entscheidende Erkenntnis ist, dass sich alle Moleküle in bestimmten Mustern anordnen, die durch die Form und Größe der Moleküle bestimmt werden“, erklärt Frank Ortmann, Mitglied bei e-conversion, Professor an der TU München und Gruppenleiter am Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden). „Dies führt zu der gewünschten Änderung der Dielektrizitätskonstante und der Größe der Bandlücke des Materials.“

Die Gruppe von Frank Ortmann konnte diesen Mechanismus aufklären, indem sie die Strukturen der gemischten organischen Filme und deren elektronische und dielektrische Eigenschaften simulierte. Eine entsprechende Änderung der Molekülpackung in Abhängigkeit von der Form der kombinierten Moleküle wurde durch Röntgenbeugungsmessungen bestätigt. Diese Arbeiten wurden von Wissenschaftlern der Professur für Organische Bauelemente am cfaed durchgeführt, geleitet von Prof. Stefan Mannsfeld.

Katrin Ortstein und ihre Kollegen in der Gruppe von Prof. Karl Leo, TU Dresden waren verantwortlich für die zentralen Experimente und die Entwicklung der Bauelemente.

Die Ergebnisse der Studie wurden in der renommierten Fachzeitschrift ‚Nature Materials‘ veröffentlicht. Sie beweisen, dass sich die Bandlücke auch in organischen Halbleitern gezielt beeinflussen lässt. In weiteren Schritten erforschen die Wissenschaftler:innen nun den Einsatz der Methode für optoelektronische Bauelemente.

Publikationen

Band gap engineering in blended organic semiconductor films based on dielectric interactions. Katrin Ortstein, Sebastian Hutsch, Mike Hambsch, Kristofer Tvingstedt, Berthold Wegner, Johannes Benduhn, Jonas Kublitski, Martin Schwarze, Sebastian Schellhammer, Felix Talnack, Astrid Vogt, Peter Bäuerle, Norbert Koch, Stefan C. B. Mannsfeld, Hans Kleemann, Frank Ortmann and Karl Leo. Nature Materials. Published online: 10 June 2021. DOI: 10.1038/s41563-021-01025-z

https://www.nature.com/articles/s41563-021-01025-z

Weitere Informationen

Diese Forschungsarbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und teilweise durch den Exzellenzcluster e-conversion im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes gefördert.

Kontakt zum Artikel

Prof. Karl Leo
Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials
TU Dresden
Tel. +49-(0)351-463-37533
karl.leo@iapp.de
www.iapp.de

 

Prof. Frank Ortmann

Fakultät für Chemie

TU München

Tel.: +49 (0)89 289 13611

frank.ortmann@tum.de

https://www.department.ch.tum.de/tms