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OLED: Das merkwürdige Bindungsverhalten organischer Halbleiter

Organische Leuchtdioden könnten künftig wandgroße Bildschirme bilden. Wissenschaftler forschen deshalb intensiv an organischen Halbleitern. Eine Gruppe ist dabei auf ein bemerkenswertes Phänomen gestoßen: Ein Halbleiter entfernt sich von einer Metalloberfläche und verstärkt die Bindung daran.

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Probenträger mit Silberkristall:  grundlegende physikalische und chemische Prozesse besser verstehen
Probenträger mit Silberkristall: grundlegende physikalische und chemische Prozesse besser verstehen (Bild: Forschungszentrum Jülich)

Bindung entsteht normalerweise durch Anziehung. Deutsche und österreichische Wissenschaftler haben einen paradoxen Fall gefunden, bei dem es sich genau andersherum verhält: Hier sorgt die Abstoßung für eine Bindung. Dieses Paradoxon soll unter anderem Fortschritte bei organischen Leuchtdioden (OLEDs) ermöglichen.

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Werde der Halbleiter 3,4,9,10-Perylentetracarbonsäuredianhydrid (PTCDA) mit dem Halbleiter Kupferphthalocyanin (CuPc) vermischt, bewege er sich von einer Oberfläche aus Silber weg. Gleichzeitig verstärke sich die Bindung an diese Oberfläche, schreiben die Forscher in der Fachzeitschrift Nature Communications.

Moleküle heben ab...

Die Wissenschaftler des Forschungszentrums (FZ) Jülich und der Universität Graz brachten die beiden organischen Moleküle PTCDA und CuPc auf eine extrem glatte Silberoberfläche auf. Dabei hoben sich die PTCDA-Moleküle umso weiter von der Oberfläche ab, je stärker sie sich an das Silber banden. Die CuPc-Moleküle zeigten ein umgekehrtes Verhalten.

Die Erklärung sei, dass das stärkere Molekül dem schwächeren Elektronen wegnehme: Es finde ein Ladungstransfer vom CuPc über die Oberfläche aus Silber zum PTCDA statt, erklärt Christian Kumpf vom FZ 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."

... und binden sich

Das PTCDA integriert die Elektronen, die es dem CuPc abgenommen hat, in seine Orbitale. "Über diese 'Elektronenwolken', die sich teilweise am äußeren Rand des Moleküls befinden, bindet das PTCDA an das Metall", sagt Peter Puschnig von der Grazer Universität. Durch die wachsende Zahl der Elektronen braucht das PTCDA mehr Platz - deshalb entfernt es sich weiter von der Oberfläche. Andererseits erzeuge die wachsende Zahl eine immer stärkere Bindung an das Metall.

Das deutsch-österreichische Projekt gehöre zur Grundlagenforschung mit organischen Halbleitern, erklärt das FZ Jülich. Stoffe wie PTCDA und CuPc eröffneten neue Möglichkeiten, etwa die Herstellung biegsamer Bauelemente oder sehr günstiger Einwegchips. Außerdem würden organische Halbleiter für OLEDs oder organische Solarzellen benötigt.

Grundlegendes Verständnis

"Es geht um das grundlegende Verständnis der Prozesse, die an Grenzflächen zwischen Metallen und organischen Halbleitern stattfinden", sagt Kumpf Golem.de: Die Grenzfläche sei für die Anwendung, etwa in einer OLED, sehr wichtig, da der Strom vom Metall in das organische Material fließen müsse, damit dort Licht erzeugt werden könne, oder in die andere Richtung, wie in einer organischen Solarzelle. Dort entstehe Strom in der aktiven Schicht, der in das Metall abgeleitet werden müsse.

"Daher ist es also wichtig, die elektronischen Eigenschaften dieser Grenzflächen genau zu verstehen. Nur dann kann man sie gezielt verbessern. Hierzu dienen unsere Forschungsarbeiten, wobei das Neue an unseren Arbeiten ist, dass wir 'gemischte' organische Schichten betrachten, also einen Kontakt einer Metalloberfläche mit zwei verschiedenen Molekülen."

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