Polymer Elektronik: Die Rolle oxidativer Defekte

Elektronische und optoelektronische Bauelemente auf Basis organischer Halbleiter (im speziellen konjugierte Polymere) haben sich in den letzten Jahrzehnten als Forschungsgebiet etabliert. Die breite Kommerzialisierung einiger Anwendungen, wie zum Beispiel lichtemittierender Bauelemente oder einfacher Schaltung auf Basis (Tintenstrahl-)gedruckter oder gar "gestempelter" organischer Transistoren steht möglicherweise kurz bevor. Ein technologisch relevantes Problem für die industrielle Anwendung ist die Instabilität der Materialien gegen atmosphärische Einflüsse (wie Sauerstoff und Wasser). Die Herstellung unter inerten Bedingungen sowie aufwendige Verkapselungsverfahren können einen Teil der auftretenden Probleme lösen. Verunreinigungen und Materialdefekte treten allerdings trotz aufwendiger Prozesse immer wieder auf. Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit dem Einfluss derartiger Defekte auf die elektronische Struktur. Der Grundlagenteil des Projekts wird sich damit beschäftigen, unter welchen Bedingungen oxidative Defekte zusätzliche (ungewollte) Beiträge zur Lichtemission des Materials liefern können. Außerdem soll geklärt werden in welchem Umfang der Ladungstransport und Ladungsträgergeneration in diesen Materialien durch oxidative Defekte beeinflusst wird. Die in diesem Teil des Projekts erarbeiteten Informationen können unter anderem dazu genutzt werden, zu klären, in welchem Umfang geringe Defektkonzentration beobachtete Eigenschaften dominieren können. Dementsprechend sollte auch diskutiert werden, in welchem Umfang aus der Literatur bekannte Ergebnisse zu Transport und Generation von Ladungsträgern durch solche Defekte beeinflusst wurden und in welchem Umfang das "Reinmaterial" untersucht wurde. Im technologischeren Teil des Projekts sollen Strategien getestet werden, um das Auftreten solcher chemischen Defekte zu verringern. Es ist z.B. geplant sogenannte "Getter"-Substanzen direkt in der aktiven Schicht einzusetzen, um die Kreation von Defektzuständen zu vermeiden, oder chemische Methoden anzuwenden, um bereits entstandene Defekte abzubauen.

Organische Halbleitermaterialien werden in zahlreichen Anwendungen eingesetzt. Diese umfassen organische Solarzellen, Anzeigen und Bildschirme (beispielsweise in MP3-Spielern und Digitalkameras), Fernseher, Beleuchtungselemente, Sensoren und elektrische Schaltungen, wie z.B. RFID-Tags. Viele dieser Geräte sind schon jetzt kommerziell erhältlich andere werden in den nächsten Jahren die Marktreife erreichen. Besondere Vorteile organischer Halbleiter sind dabei hohe Effizienzen (und damit verbunden ein reduzierter Energieverbrauch), größere Helligkeit und verbessertes Kontrastverhältnis sowie kosteneffiziente Herstellungsmöglichkeiten und das alles kombiniert mit neuen Eigenschaften, wie z.B. mechanischer Flexibilität. Eine der größten Herausforderungen, die sich bei der Anwendung organischer Halbleiter allerdings noch stellt, ist deren Langzeitstabilität. Um mitzuhelfen, diese Einschränkung zu überwinden, beschäftigt sich das vorliegende Projekt mit einer detaillierten Studie zur mikroskopischen Natur der Defekte, die die Lebensdauer der Bauelemente begrenzen. Dabei sollen Wege aufgezeigt werden, wie diese Defekte vermieden werden können um zur Entwicklung neuartiger Materialien beizutragen. Aus diesem Grund haben wir sowohl umfassende Untersuchungen zur Stabilität von Materialien angestellt, die in elektronischen Schaltungen eingesetzt werden (Poly(thiophene), wie auch zu Verbindungen untersucht, die in lichtemittierenden Bauelementen zum Einsatz kommen. In diesem Zusammenhang wurde auch eine Methode zur a posteriori Heilung von defektbehafteten organischen Halbleitern getestet. In der späteren Phase des Projekts wurde dann verstärkt Augenmerk auf dir Rolle der Grenzfläche zwischen organischem Halbleiter und Metallelektrode bzw. Dielektrikum gelegt. Dies war deshalb ratsam, da im Jahr 2005 in einer Arbeit aus Cambridge die besondere Bedeutung dieser Grenzfläche für Dünnfilmtransistoren gezeigt wurde. Das im Rahmen des Projekts entwickelte Wissen erlaubte uns dann organische Feldeffekttransistoren mit Kontaktwiderständen herzustelle, die alles bisher Realisierte klar in den Schatten stellen. Diese Entwicklung ist eine Voraussetzung zum Bau schneller Schaltkreise, wie man sie beispielsweise für RFID Anwendungen benötigt. Als "Nebenprodukt" unserer Forschungsarbeiten konnten wir auch ein neuartiges und viel versprechendes Konzept für auf organischen Bauelementen beruhende chemische Sensoren zeigen. Dabei wird durch eine ultradünne Zwischenschicht das Halbleitermaterial zuerst dotiert und dann durch das Analytgas wieder dedotiert, wodurch eine Verschiebung der Einsatzspannung des Transistors von bis zu 70 V erreicht werden kann.