Ladungsinjektionsschichten in anorg. /organ. Grenzflächen

In den letzten Jahren war die Wissenschaft im Bereich der "organischen Elektronik" besonders aktiv, nicht zuletzt aufgrund des hohen Potentials für die Entwicklung kostengünstiger, leichter, biegsamer und umweltfreundlicher Produkte. Zur Optimierung von Ladungsinjektionsbarrieren und der Lebensdauer von Exzitonen in organischen Leuchtdioden (OLEDs) oder photovoltaischen Zellen (OPVs) werden oft sogenannte Ladungsinjektionsschichten (CIL) eingesetzt. Diese befinden sich zwischen Elektrode und aktivem organischen Material und beeinflussen die elektrostatische Umgebung an der Grenzfläche durch intrinsische oder landungstransferinduzierte Dipole. Dies bewirkt in weiterer Folge eine Verschiebung der relativen Energien der elektronischen Zustände von Adsorbat und Substrat. Die meisten Studien in diesem Feld haben sich auf den Einfluss der CIL auf die effektive Austrittsarbeit des Substrats konzentriert. Die darüber hinausgehende Frage, wie solche Schichten die Morphologie der organischen Schicht verändern und insbesondere wie sie Ladungstransferprozesse an der Oberfläche beeinflussen, bleibt offen. Die Bedeutung dieser Frage gewinnt noch mehr an Gewicht durch die Beobachtung, dass Kontaminationen wie beispielsweise H- und OH-Gruppen, die häufig auf Substraten wie Zinkoxid auftreten, auch als eine Form von CIL betrachtet werden können. Daher wird eine Studie auf Basis der Dichtefunktionaltheorie (DFT) vorgeschlagen, bei der fortgeschrittene Funktionale (inklusive Hybrid- und nichtlokaler Funktionale) sowie Vielteilchenstörungstheorie, wie zum Beispiel die GW-Theorie und die random-phase-approximation (RPA) eingesetzt werden. Diese Funktionale enthalten (einen Anteil von) Hartree-Fock-Austausch und reduzieren damit den Selbstwechselwirkungsfehler, der in konventionellen DFT-Studien zu unechtem Ladungstransfer und falscher relativen Anordnung der Zustände führen kann. In diesem Projekt soll der Einfluss von CILs auf die Morphologie, elektronische Eigenzustände und Quasiteilchen der organischen Schicht anhand der Adsorption verschiedenster Kombinationen von CILs und organischen Materialen auf Zinkoxid-Substraten analysiert werden. In enger Zusammenarbeit mit experimentellen Partnern werden die Mechanismen, die der Ausbildung von Bindungen und Grenzflächendipolen zugrunde liegen, untersucht. Einen besonderen Aspekt stellt die thermodynamische Stabilität der CILs dar, wobei besonders auf durch Adsorption der organischen Schicht verursachte Phasenumwandlungen und auf Verdrängung der CIL durch das organische Material geachtet wird. Die Untersuchung verschiedenster struktureller Anordnungen und Morphologien am Computer erlaubt es, Beziehungen zwischen Struktur und Eigenschaften der Grenzflächen herzustellen. Die dabei gewonnen Erkenntnisse ermöglichen es, neue Ladungsinjektionsschichten und Oberflächenbehandlungen zu entwickeln und dadurch die Effizienz moderner (organisch)elektronischer Bauteile zu verbessern.

Viele Produkte des täglichen Lebens, wie beispielsweise AMOLED-Bildschirme in Handys oder OLED-Fernseher, basieren zumindest teilweise auf organischer Elektronik. Die Leistung dieser Geräte wird zu einem wesentlichen Teil durch die Grenzfläche zwischen anorganischer Elektrode und aktivem organischem Material bestimmt. Um die Leistungsfähigkeit zu verbessern ist es möglich, so genannte Ladungsinjektionslagen (engl.charge injection layers, CIL) zwischen die beiden Materialen einzufügen. Ziel des Projektes war es, den Einfluss dieser CILs besser zu verstehen.Eines der Hauptergebnisse dieses Projektes ist es, das CILs die Ladungsverteilung an den Grenzflächen drastisch beeinflussen. Wird organisches Material direkt auf ein Metall aufgebracht, so verteilen sich Elektronen, die auf die Organik übergehen, gleichmäßig innerhalb der Lage. Dies ist im Bild zur Linken dargestellt. Wird nun ein CIL beispielsweise eine Doppellage NaCl eingefügt, dann konzentriert sich die Ladung nur auf einige wenige Moleküle, wie im Bild zur Rechten schematisch gezeigt wird.Dieser Unterschied schlägt sich in verschiedenen Eigenschaften, wie der Barriere zur Ladungsträgerinjektion und in Ladungstransporteigenschaften, merklich nieder und ist möglicherweise der Hauptgrund für den beobachteten Einfluss von CILs.Bevor diese Einsichten überhaupt gewonnen werden konnten, war es notwendig ein besseres Verständnis der Methoden, die zur theoretischen Beschreibung solcher Grenzflächen angewandt werden, zu erlangen. Die populärste Methode hierfür nennt sich Dichtefunktionaltheorie. Obwohl im Prinzip exakt, müssen doch verschiedene Näherungen angewandt werden, um sie auch für reale Systeme lösbar zu machen. Einer der Fehler, der dabei oft eingeführt wird, nennt sich Selbstwechselwirkungsfehler und bezeichnet die unphysikalische Wechselwirkung eines Elektrons mit sich selbst. Im Rahmen des Projekts konnten wir zeigen, dass der Selbstwechselwirkungsfehler für Systeme wie Moleküle auf Metallen, die stark miteinander wechselwirken, nur wenig Relevanz hat. Wird ein CIL eingefügt, schwächt sich die Wechselwirkung aber ab, und der Fehler muss korrigiert werden, um ein korrektes Resultat zu erhalten.