Die Rolle der Grenzfläche für das Wachstum organischer Filme

Falls elektronische Bauelemente auf der Basis organischer Materialien jemals eine kommerzielle Bedeutung erlangen sollen, wird es notwendig sein, das Wachstum organischer Schichten in der Weise zu kontrollieren, wie das derzeit für anorganische Schichten im Rahmen konventioneller Halbleiterbauelemente technischer Standard ist. Zur Zeit sind jedoch die physikalischen Grundlagen, die das Wachstum und die Kristallisation organischer Filme im Hinblick auf die Entwicklung und Optimierung gewünschter Eigenschaften bestimmen, nur in geringem Maße verstanden. Das Ziel des gegenständlichen Projektes ist die Rolle der Grenzfläche zwischen einem anorganischen Substrat und einer organischen Schicht für den Wachstumsprozess organischer Filme aufzuklären. Im Speziellen sollen das Wechselspiel zwischen Adsorbat-Substrat-Bindung und intermolekularer Wechselwirkungsenergie im aufwachsenden organischen Film untersucht werden, das heißt die Balance zwischen den Bindungsenergien an der Grenzfläche und den Packungsenergien innerhalb des organischen Films ist von besonderem Interesse. Die Packungsenergien bestimmen die kristalline Struktur des organischen Films, während die Grenzflächenenergien für die Anpassung des organischen Films an die Substratoberfläche verantwortlich sind. Es soll versucht werden, in einem neuartigen Ansatz den Wachstumsprozess durch Modifikation der Grenzflächenenergien zu manipulieren. Wir konnten vor kurzem am System "Sexiphenyl auf Al(111)" zeigen, daß dieser Ansatz zielführend ist und interessante Ergebnisse liefern kann. Es ist geplant, kontrollierte Wachstumsstudien von organischen Filmen auf reinen und chemisch modifizierten Einkristalloberflächen unter Ultrahochvakuum-Bedingungen durchzuführen, wobei eine Reihe von modernen oberflächenanalytischen Methoden zum Einsatz kommen soll. Als erklärtes Ziel dieses Projektes soll eine Brücke zwischen konventioneller Oberflächenforschung, die sich üblicherweise mit einigen wenigen Monolagen von Adsorbatmolekülen beschäftigt, und praktisch relevanter Dünnfilmtechnologie geschlagen werden, in der die Filmschichtdicken einige Hunderte von Monolagen betragen: Das Wachstum und die Struktur von organischen Filmen von der ersten Monolage an der Substrat-Grenzfläche bis zu dicken (>1000 Å) molekularen Schichten soll studiert werden.

In diesem Projekt wurde ein grundlegendes Verständnis über die Bildung der organisch-anorganischen Grenzschicht und deren Einfluß auf das weitere Filmwachstum erreicht. Infolgedessen konnten wir kristalline Filme konjugierter organischer Moleküle von überragender Qualität und in unterschiedlichen Orientierungen wachsen. Dies ist von technologischer Bedeutung, da elektronische und optoelektronische Bauelemente basierend auf organischen Materialien nur dann eine signifikante Marktposition erlangen werden, wenn die Grenzschichtausbildung und das nachfolgende Schichtwachstum mit ähnlicher Präzision kontrollieren wird, wie das heute bei anorganischen Halbleiterbauelementen der Fall ist. Aus wissenschaftlicher Sicht ist die Fähigkeit zur Kontrolle des organischen Dünnfilmwachstum erforderlich, um einerseits die opto-elektronischen Eigenschaften der Filme zweifelsfrei zu bestimmen, während sie andererseits eine notwendige Voraussetzung für kontrollierte organisch-organische Heteroepitaxie. In diesem Projekt wurde das Organische Filmwachstum von Submonolagenbedeckungen bis hin zu technologisch relevanten Schichtdicken, auf einer Anzahl definierter Substrate mit hochmodernsten Techniken untersucht, die eine genaue Bestimmung der elektronischen und geometrischen Struktur, der Molekülorientierung und der Schichtmorphologie erlauben. Obwohl die Details des Filmwachstums von der spezifischen Molekül-Substrat Kombination abhängen, wurde durch die große Anzahl der untersuchten Systeme eine Reihe von falschen Konzepten in der Literatur erkannt und allgemeinere Regeln bezüglich des organischen Filmwachstum konnten aufgestellt werden. Beispielsweise hängt die Orientierung der Moleküle - stehend oder liegend - in den kristallinen Schichten eher von der atomaren Ordnung des Substrates ab, als von der Reaktivität des Moleküls gegenüber dem Substrat, d.h. die Wachstumskinetik ist von großer Bedeutung. Die genauen Details der Molekül-Substrat Wechselwirkung und ihr Einfluß auf die Monolage als Vorlage für das weitere Schichtwachstum wurde für den Fall von parallel zueinander und parallel zum Substrat ausgerichteter Moleküle untersucht. Bei schwacher Substratwechselwirkung dominiert die intermolekulare Wechselwirkung und hochgeordnete organische Grenzschichten, ähnlich den Lagen im Molekülkristall, entstehen. Starke Molekül-Substrat Wechselwirkungen mit Ladungstransfer führen zu Abstoßung zwischen den Molekülen und ihre Fähigkeit zur Selbstorganisation ist in der ersten benetzenden Monolage sehr gestört und hat keinerlei Entsprechung zu einer Lage im Kristall. Optimale kristalline Dünnfilmsysteme erfordern daher Substrate die den Molekülen eine bevorzugte Orientierung und Diffusionsrichtung geben, ohne ihre Fähigkeit eine hochgeordnete organische Grenzschicht, ähnlich zu einer Molekülkristallage, zu bilden stören.