Organischer Halbleiter verhält sich paradox

Organische Halbleiter eröffnen neue Möglichkeiten verglichen mit der herkömmlichen Siliziumtechnologie: Biegsame Bauelemente etwa oder günstige Chips, die sich einfach auf eine Kunststoffschicht aufdrucken lassen. Wissenschaftler um Benjamin Stadtmüller vom Forschungszentrum Jülich haben nun eine Materialkombination mit einer besonderen Eigenschaft untersucht: Mischt man den organischen Halbleiter PTCDA (Perylentetracarbonsäuredianhydrid) mit Kupferphthalocyanin (CuPc), so bewegt er sich von einer Metalloberfläche weg. Zugleich verstärkt sich seine chemische Bindung an das Metall. Welche Ursache dieses scheinbar paradoxe Verhalten hat, erklären die Forscher in ihrer im Fachblatt „Nature Communications“ veröffentlichten Studie.

Ein Balken, der die Metalloberfläche darstellt. Oberhalb dieses Balkens am linken Rand ein längliches Rechteck für das PTCDA-Molekül, am rechten Rand ein längliches Oval für das CuPc-Molekül. Dazwischen eine Mischstruktur aus beiden Molekülen. Die Höhe dieser Objekte über der Metalloberflähe nimmt von links nach rechts zu. Der Ladungstransfer vom CuPc durch die Metalloberfläche hin zum PTCDA ist mit einem Pfeil markiert.
Bindungslänge an der Metalloberfläche

Stadtmüller und seine Kollegen brachten die beiden organischen Moleküle PTCDA und CuPc auf einer extrem glatten Silberoberfläche auf. Anschließend nahmen sie einzelne Lagen der organischen Moleküle unter die Lupe und ermittelten, wie sich deren Abstand zur Oberfläche mit zu- und abnehmender Bindungsstärke an das Silber verändert. Dazu führten sie Messungen mit Synchrotronstrahlung durch, unter anderem am Elektronenspeicherring BESSY in Berlin und an der Europäischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF. Das Ergebnis überraschte die Forscher: Die flachen PTCDA-Moleküle heben sich umso mehr von der Oberfläche ab, je stärker sie an die silberne Oberfläche binden, während die CuPc-Moleküle sich genau umgekehrt verhalten.

„Ursache für das ungewöhnliche Verhalten ist ein Ladungstransfer vom CuPc über die Silberoberfläche zum PTCDA“, erläutert Koautor Christian Kumpf vom Forschungszentrum Jülich. „Wenn die Moleküle alleine auf der Oberfläche liegen, ziehen sie Elektronen aus dem Metall – ganz ähnlich wie ein Staubsauger. Bringt man die Moleküle zusammen, gewinnt dabei das stärkere, nämlich PTCDA.“ In der Verbindung zieht es Elektronen vom schwächeren CuPc-Molekül ab und füllt damit die eigenen Orbitale. „Über diese ‚Elektronenwolken‘, die sich teilweise am äußeren Rand des Moleküls befinden, bindet das PTCDA an das Metall“, erläutert der Peter Puschnig von der Universität Graz, der im Rahmen der Studie vergleichende Modellrechnungen durchführte. Die zusätzlich hinzukommenden Elektronen verstärken die Bindung des PTCDA, benötigen aber auch mehr Platz, sodass sich die Moleküle gleichzeitig von der Oberfläche entfernen.

Die neuen Erkenntnisse fließen unter anderem in die Entwicklung organischer Leuchtdioden und Solarzellen ein. Eine wesentliche Frage dabei ist, wie sich ein elektrischer Kontakt zwischen organischen Molekülen und Metallen herstellen lässt. Dies gelingt umso besser, je stärker die chemische Bindung an der Fläche ausfällt, wo die beiden Materialien aneinandergrenzen. „Dass es funktioniert, belegen organische Leuchtdioden. Diese werden bereits heute vielfach in den Anzeigen von Smartphones und Fernsehern eingesetzt“, berichtet Kumpf. Organische Leuchtdioden eignen sich wie auch organische Solarzellen ideal für großflächige Bauteile und könnten es eines Tages ermöglichen – so die Zukunftsvision – Fenster, Wände und Decken mit sehr wenig Strom gleichmäßig auszuleuchten. „Damit diese Vision Wirklichkeit wird, müssen wir aber die grundlegenden physikalischen und chemischen Prozesse noch besser verstehen lernen“, so der Physiker.