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Dienstag, 28.03.2017
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Erster hochaufgelöster Blick in einen organischen Halbleiter

Neu entwickeltes Nahfeldmikroskop liefert millionenfache Verstärkung des Leuchtens an molekularen Stufen

Physiker haben ein Nahfeldmikroskop entwickelt, das die optischen Eigenschaften eines organischen Halbleiters mit zuvor unerreichter Auflösung und Empfindlichkeit zeigt. Lange Zeit galt dies aufgrund physikalischer Gesetze als unmöglich. Das neu entwickelte Mikroskop erlaubt es, gleichzeitig optische Spektren und das Höhenprofil einer Oberfläche zu vermessen – und dies auf den Nanometer genau.
Topografische und optische Messung eines Diindenoperylen-Films

Topografische und optische Messung eines Diindenoperylen-Films

Halbleiter aus organischen Dünnfilmen spielen eine wichtige Rolle in neuartigen elektronischen Anwendungen, zum Beispiel in organische Solarzellen zur Energiegewinnung aus Sonnenlicht oder in organischen Leuchtdioden (OLEDs) für biegsame hochauflösende Bildschirme. Ihre elektronischen und optischen Eigenschaften unterscheiden sich wesentlich von den Eigenschaften der organischen Moleküle, aus denen sie aufgebaut sind. Insbesondere die mikroskopische Struktur ist noch nicht gut verstanden, obwohl zum Beispiel molekulare Inseln, Kanten und Fehlstellen die Filmeigenschaften stark beeinflussen.

Goldspitze als optische Antenne


Die Arbeitsgruppe um Professor Alfred Meixner und Dai Zhang vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen hat nun ein Mikroskop entwickelt, das genau diese Struktur nun erstmals sichtbar macht. Dazu wird eine äußerst feine Goldspitze bis auf ein bis drei Nanometer an die Halbleiteroberfläche herangebracht und gleichzeitig mit einem scharf fokussierten Laserstrahl beleuchtet.

„Wir haben bei nanometergenauer Auflösung eine optische Signalverstärkung von bis zu einer Million erhalten", erklärt Meixner. „So eine hohe Verstärkung ist möglich, weil die Spitze im Fokus eines Parabolspiegels steht: Diese Kombination ergibt eine perfekte optische Antenne. Die Goldspitze konzentriert das Licht lokal in den nur Nanometer großen Spalt direkt zwischen Spitzenende und Probenoberfläche und erzeugt dort ein optisches Nahfeld, welches die Probe anregt. Photonen, die dort von der Probe erzeugt werden, gelangen auf dem umgekehrten Weg über die Spitze und den Parabolspiegel auf einen empfindlichen Detektor."


Neue Impulse für die Materialfoschung


Die Nahfeldmessungen der Halbleiterfilme aus Diindenoperylen-Molekülen(DIP) ergaben, dass die Kanten der DIP-Nano-Terrassen leuchten: die Kanten sind nur eine bis drei Molekülschichten hoch und erscheinen als helle Streifen von etwa 17 Nanometer Breite. Dies liegt an Elektronenlochpaaren, sogenannten Exzitonen, die in dem Halbleiter DIP durch das Nahfeld der Spitze erzeugt und auch detektiert werden.

„Wäre unsere Goldspitze nicht da, würden die Exzitonen hauptsächlich thermisch zerfallen", erklärt Meixner. „Dieser Durchbruch könnte dazu führen, dass die Nahfeldmikroskopie Eingang in die Materialforschung findet und dort zu grundlegenden neuen Erkenntnissen führt", sind sich Reinhard Scholz und Frank Schreiber einig.

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Physical Review Letters veröffentlicht und beruhen auf einer Zusammenarbeit mit Ute Heinemeyer und Professor Frank Schreiber vom Institut für Angewandte Physik der Universität Tübingen und Reinhard Scholz von der TU München.
(Universität Tübingen, 08.02.2010 - NPO)
 
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