Hoch geordnete Dünnfilme aus kleinen Molekülen

Konjugierte organische Systeme sind ein interdisziplinäres Forschungsgebiet zwischen Festkörperphysik, Chemie, Materialwissenschaften und Bauelementephysik. Aufgrund der vielversprechenden Möglichkeiten für den Einsatz dieser organischen Halbleiter , kam es in den letzten Jahren zu verstärkten Anstrengungen, die auf dem Gebiet der " Organischen Optoelektronik " eine Art Revolution auslösten. Ursprünglich konzentrierte man sich auf die p-typ und n-typ Dotierbarkeit von konjugierten Oligomeren und Polymeren, was diesen organischen Materialien die einzigartige Eigenschaft verlieh um daraus billige Sensoren herstellen zu können. Diese Materialien konnten mit zunehmender Reinheit und kristalliner Ordnung hergestellt werden, sodaß sie nun für Optoelektronische Bauelemente wie Photodioden, Solarzellen, Leuchtdioden, Laser, und organische integrierte Schaltungen verwendet werden können, und somit zu einer Schlüsseltechnologie für das 21. Jahrhundert geworden sind. Motiviert durch das hohe Anwendungspotential dieser Materialien, beschäftigt sich ein wesentlicher Teil der heutigen Forschung auf diesem Gebiet mit dem Wachstum von geordneten Dünnfilmen aus kleinen Molekülen. Die molekulare Packung und die Struktureigenschaften solcher Schichten sind ganz entscheidend für deren optische und elektrische Eigenschaften und konsequenterweise für deren Verwendbarkeit in optoelektronischen Bauelementen. Es ist im allgemeinen aber wenig bekannt über die Wachstumsregelmäßigkeiten der kristallin geordneten organischen Filme, vergliechen damit, was über herkömmliche anorganische Filmsysteme (z.B. Halbleiter, Metalle) bekannt ist. Zum Beispiel, wurden die bisherigen Studien meistens auf ein Quellenmaterial oder ein Substrat begrenzt, die gewachsenen Filme waren häufig polykristallin oder texturiert. Andererseits ist es allgemein anerkannt, daß die richtige Wahl der Wachstummethode und die sorgfältige Vorbereitung der Substrate eine große Bedeutung haben. Das Hauptziel dieses Projektes ist die entsprechende Anwendung einer Wachstumstechnik, die nah an thermodynamischem Gleichgewicht arbeitet - die sogenannte Hot Wall Epitaxie - für das epitaxisches Wachstum von kleinen organischen Molekülen und die Untersuchung der physikalischen Prozessen/Mechanismen, welche das kristallin geordnete Wachstum der für optoelektronische Anwendungen interessanten organischen Strukturen beeinflussen. Dabei sollen hoch geordnete, makroskopisch kristalline organische Strukturen gewachsen werden und der Einfluß der Wachstumparameter auf großflächige Ordnung und kristalline Qualität ausführlich untersucht werden.

Die Forschung an organischen Halbleitern ist ein stark expandierendes Gebiet in einem Überlappungsfeld von Chemie, Materialphysik und Bauelementeherstellung, getrieben durch die vielseitigen Anwendungsmöglichkeiten in der Elektronik und Photonik. Aufgrund ihres interdisziplinären Charakters haben diese Materialien die Aufmerksamkeit vieler Wissenschafter erweckt und eine Art von Revolution in Richtung " Organische Elektronik" bewirkt. Wegen der fortschreitend verbesserten Materialeigenschaften sind die organischen Halbleiter für die Herstellung elektronischer Bauelemente wie Photodioden, Solarzellen, Licht emittierender Dioden, Feldeffekttransistoren und sogar von integrierten Schaltungen geeignet. Manche sprechen sogar von einer Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts. Die weitere Entwicklung dieser Bauelemente wird aber wesentlich von der Verfügbarkeit von hoch qualitativen einkristallinen epitaktischen Schichten aus diesen Materialien abhängen. Gerade diese Herausforderung war eines der hauptsächlichen Ziele des vorliegenden Forschungsprojekts. Ähnliche Probleme wurden für anorganische Halbleitermaterialien bereits gelöst, mit Verfahren wie die Molekularstrahlepitaxie oder durch das Wachstum aus der Dampfphase in Verbindung mit chemischen Umwandlungsprozessen, aber diese Methoden sind für organische Materialien nicht optimal. Der wesentlichste Unterschied zwischen organischen und anorganischen Materialien im Hinblick auf ein epitaktisches Wachstum liegt in ihren unterschiedlichen Bindungsmechanismen. Die anorganischen Materialen werden chemisch gebunden, während die organischen Moleküle nur durch verhältnismäßig schwache physikalische Wechselwirkungen an der Oberfläche festgehalten werden. Dies bedeutet, dass das Wachstum von organischen Schichten bei vergleichbar niedrigen Temperaturen erfolgen soll. Diese Bedingungen können von auch von anderen Herstellungsverfahren erreicht werden, jedoch arbeiten diese in einem offenen Raum und daher sehr weit entfernt vom thermodynamischen Gleichgewicht. Bei dem von uns verwendeten Verfahren, der so genannten "Hot Wall Epitaxie", arbeitet man so nahe wie möglich am thermodynamischen Gleichgewicht und damit kann ein lokaler hoher Dampfdruck an der Wachstumsfront aufrechterhalten werden, was den schwachen Bindungen der Moleküle untereinander sehr entgegen kommt. Die mit der Hot Wall Epitaxie erzielten Ergebnisse haben bestätigt, dass dieses Herstellungsverfahren für organische Epitaxieschichten die Methode der Wahl ist, um hochqualitative einkristalline Materialien zu erzielen. Mit dieser Wachstumsmethode konnten selbstorganisierte Nanonadeln aus Parahexaphenyl gewachsen werden, die im blauen Spektralbereich Laseraktivität zeigten. Darüber hinaus gelang es Schichten aus C60 auf organischen dielektrischen Materialien aufzudampfen, die die Herstellung von Feldeffekttransistoren mit den bisher höchsten Beweglichkeiten ermöglichten.