Tuning the energy gap:En ny tilgang til organiske halvledere

Tuning af energigabet ved at blande forskellige halvledende molekyler for at optimere enhedens ydeevne er allerede en etableret procedure for uorganiske halvledere, men det er stadig en udfordring for deres organiske kolleger. Nu, forskere fra TU Dresden, i samarbejde med forskere ved TU München, samt universitetet i Würzburg, HU Berlin, og Ulm University har demonstreret, hvordan man når dette mål.

Organiske halvledere har opnået et ry som energieffektive materialer i organiske lysemitterende dioder (OLED'er), der bruges i store displays. I disse og i andre applikationer, såsom solceller, en central parameter er energigabet mellem elektroniske tilstande. Det bestemmer bølgelængden af ​​det lys, der udsendes eller absorberes. Den kontinuerlige justerbarhed af dette energigab er ønskelig. Ja, for uorganiske materialer findes der allerede en passende metode-den såkaldte blanding. Det er baseret på at konstruere båndgabet ved at erstatte atomer i materialet. Dette giver mulighed for en kontinuerlig afstemning som, for eksempel, i aluminium gallium arsenid halvledere. Desværre, dette kan ikke overføres til organiske halvledere på grund af deres forskellige fysiske egenskaber og deres molekylbaserede konstruktionsparadigme, gør kontinuerlig båndgabstemning meget vanskeligere.

Imidlertid, med deres seneste publikation forskere ved Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden) og i Cluster of Excellence "e-conversion" på TU München sammen med partnere fra University of Würzburg, HU Berlin, og Ulm University har, for første gang, realiseret energy-gap engineering til organiske halvledere ved blanding.

For uorganiske halvledere, energiniveauerne kan forskydes mod hinanden ved atomersubstitutioner, dermed reduceres båndgabet ('band-gap engineering'). I modsætning, båndstrukturændringer ved at blande organiske materialer kan kun flytte energiniveauet i fællesskab enten op eller ned. Dette skyldes de stærke Coulomb -effekter, der kan udnyttes i organiske materialer, men dette har ingen effekt på hullet. "Det ville være meget interessant også at ændre hullet i organiske materialer ved at blande, for at undgå den lange syntese af nye molekyler ", siger professor Karl Leo fra TU Dresden.

Forskerne fandt en utraditionel måde at blande materialet med blandinger af lignende molekyler, der er forskellige i størrelse. "Det centrale fund er, at alle molekyler arrangerer i bestemte mønstre, der er tilladt af deres molekylære form og størrelse", forklarer Frank Ortmann, professor ved TU München og gruppeleder ved Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden). "Dette fremkalder den ønskede ændring i materialets dielektriske konstant og mellemrumsenergi."

Ortmanns gruppe var i stand til at tydeliggøre mekanismen ved at simulere strukturen af ​​de blandede film og deres elektroniske og dielektriske egenskaber. En tilsvarende ændring i den molekylære pakning afhængigt af formen på de blandede molekyler blev bekræftet af røntgenstrålingsspredningsmålinger, udført af Organic Devices Group hos Prof. Stefan Mannsfeld på cfaed. Det centrale eksperimentelle og enhedsarbejde blev udført af Katrin Ortstein og hendes kolleger i gruppen af ​​Prof. Karl Leo, TU Dresden.

Resultaterne af denne undersøgelse er netop blevet offentliggjort i det anerkendte tidsskrift Naturmaterialer . Selvom dette beviser gennemførligheden af ​​denne type ingeniørstrategi på energiniveau, dets beskæftigelse vil blive undersøgt for optoelektroniske enheder i fremtiden.