Erstmals ist es Forschern gelungen, die Elektronendichte in einzelnen Molekülzuständen mit Hilfe des so genannten photoelektrischen Effekts zu vermessen. Diese jetzt in „Science“ veröffentlichte Methode bietet eine wichtige Grundlage für die Entwicklung organischer Halbleiterelemente.
Entscheidend für den Erfolg des Projektes war nach Angaben der Wissenschaftler die mathematische Transformation der Messdaten. Erst diese erlaubte die Interpretation der Elektronenverteilung und damit Rückschlüsse auf mögliche Eigenschaften organischer Halbleiterelemente.
Neue Methode entwickelt
Ultradünne Schichten aus organischen Molekülen bilden die Grundlage für zukünftige Halbleitertechnologien. Denn die hohe Flexibilität der organischen Moleküle erlaubt völlig neue Einsatzmöglichkeiten. Biegsame Bildschirme werden ebenso möglich wie kostengünstige Solarzellen.
Doch vor dem alltagstauglichen Einsatz organischer Halbleiter gilt es die Wechselwirkungen zwischen organischem Material und anorganischen Trägersubstanzen besser zu verstehen. Einem Team der Universitäten Graz und Leoben gelang es nun, eine wichtige Methode für diesen Zweck zu entwickeln.
Dicht an dicht
„Die Eigenschaften eines organischen Moleküls werden ganz wesentlich von bestimmten Elektronenzuständen definiert“, erklärt Peter Puschnig vom Lehrstuhl für Atomistic Modelling and Design of Materials der Montanuniversität Leoben, der die Untersuchung leitete. „Können wir die Verteilung der Elektronen im Molekül akkurat bestimmen, dann verstehen wir auch die Funktionsweise von organischen Halbleiterbauelementen besser und können deren Effizienz steigern.“
Bisher fehlte es jedoch an leistungsstarken Methoden, um genau diese Elektronenverteilung zu messen. Doch nun gelang dem Team um Puschnig ein wesentlicher Fortschritt. Die Forscher nutzten dazu den so genannten photoelektrischen Effekt. Dieser erlaubt es, einzelne Elektronen aus organischen Molekülen „herauszuschlagen“. Im konkreten Projekt wurde ein organisches Molekül mit ultraviolettem Licht bestrahlt, dessen Energie stark genug war, einzelne Elektronen aus den Molekülen herauszulösen.
Messungen von BESSY durchgeführt
Die Richtung und Geschwindigkeit der so freigesetzten Elektronen wurde anschließend mit hochsensiblen Detektoren gemessen und lieferte die grundlegenden Daten zur Berechnung der Elektronenverteilung im Molekül. Dabei arbeitete das Team um Professor Michael Ramsey von der Universität Graz an einer Schicht von Hexaphenyl, die in einer Dicke von nur einem Molekül auf eine Kupferoberfläche aufgebracht worden war.
Die eigentlichen Messungen wurden vom Grazer Teil des Teams an der Berliner Synchrotronstrahlungsquelle BESSY – Berliner Elektronen-Speicherring Gesellschaft für Synchrotronstrahlung – durchgeführt.
Charakteristische Verteilung der emittierten Elektronen
Zur Auswertung der so gewonnenen Daten meint Puschnig: „Es zeigte sich eine ganz charakteristische Verteilung der emittierten Elektronen. Die Interpretation dieser Verteilung gestaltete sich allerdings zunächst schwierig, und eine Verknüpfung der Messdaten mit der ursprünglichen Elektronenverteilung im Molekül schien unmöglich.“
Erst spezielle mathematische Transformationen (Fourier-Transformation) zeigten, dass die gemessene Elektronenverteilung jener entsprach, die im Molekül vorliegt. Da diese durch Berechnungen im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie in diesem Fall bereits bekannt war, konnte die Tauglichkeit der neuen Methode so getestet – und bestätigt – werden.
Wertvolle neue Methode
Der Wert der neuen Methode liegt nach Angaben der Wissenschaftler insbesondere darin, dass nun das Verhalten von Elektronen in Grenzflächen zwischen organischen Halbleitern und Metallen relativ einfach und sehr genau gemessen werden kann. Damit leistet diese vom Wissenschaftsfonds FWF unterstütze Arbeit einen grundlegenden Beitrag für die zukünftige Nutzung organischer Halbleiter.
(Wissenschaftsfonds FWF/Montanuniversität Leoben/PR&D – Public Relations für Forschung & Bildung, 17.11.2009 – DLO)
