Theoretische Beschreibung der Photoemission von organischen Molekülfilmen

<> Ultradünne Schichten aus organischen Molekülen bilden die Grundlage für zukünftige Halbleitertechnologien. Die mechanische Flexibilität organischer Moleküle erlaubt völlig neue Einsatzmöglichkeiten. Biegsame Bildschirme werden ebenso möglich wie kostengünstige Solarzellen. Doch vor dem alltagstauglichen Einsatz organischer Halbleiter gilt es die Wechselwirkungen zwischen organischem Material und anorganischen Trägersubstanzen besser zu verstehen. Diese werden wesentlich von bestimmten Elektronenzuständen des Moleküls definiert, nämlich dem obersten besetzten, und untersten unbesetzten Molekülorbital. Methoden, die Elektronenverteilung in diesen Orbitalen bestimmen können, tragen somit zu einem Verständnis der Wirkungsweise von organischen Halbleitern bei und helfen mit deren Effizienz zu steigern. Dieser Antrag untersucht die Photoemission von organischen Molekülfilmen mittels theoretischer ab-initio Methoden. Für gewöhnlich wird die winkelaufgelöste Photoemissions-spektroskopie (ARPES) dazu verwendet, um die Bandstruktur von Festkörpern experimentell zu ermitteln. In kürzlich erschienen Arbeiten wurde jedoch gezeigt, dass diese Methode auch dazu dienen kann, die räumliche Elektronenverteilung in diskreten Molekülzuständen zu bestimmen. Dies wird durch einen Zusammenhang zwischen der gemessenen Winkelverteilung der emittierten Elektronen und der Fourier-Transformierten des betrachteten Molekülorbitals ermöglicht. Diese ersten Ergebnisse stellten die Machbarkeit dieser Messmethode unter Beweis, jedoch wurden einige vereinfachende Annahmen in der theoretischen Beschreibung getroffen. Der vorliegende Antrag zielt nun auf eine Verbesserung der theoretischen Beschreibung des Photoemissionsprozesses von organischen Filmen ab, um eine quantitative Interpretation von ARPES Daten zu ermöglichen. Die erwarteten Ergebnisse sind nicht nur wichtig für ein grundsätzliches Verständnis der Photoemission von organischen Molekülen, sondern auch eine Voraussetzung für die Interpretation von experimentellen Daten. Dies erscheint besonders wichtig in Hinblick auf jüngste Entwicklungen in der Instrumentierung von ARPES Messgeräten. Diese Daten, in Verbindung mit Untersuchungen mit dem Rastertunnel-mikroskop, werden dazu beitragen, einzelne Molekülorbitale sichtbar zu machen. Dies wiederum rückt die Erzeugung von organischen Halbleitergrenzschichten mit definierten Eigenschaften einen Schritt näher.

In diesem Projekt wurde der Photoemissionsprozess von dünnen, organischen Molekülfilmen, die auf Metalloberflächen adsorbiert sind, mithilfe eines quantenmechanischen ab-initio Verfahrens theoretisch untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die Winkelabhängigkeit des Photostroms von solchen Molekülfilmen im Gegensatz zur allgemeinen Annahme durch einen sehr einfachen Ansatz für den Endzustand der Photoemission, nämlich einen freien Elektronenzustand, beschrieben werden kann. Diese Methode ermöglichte eine einfache und intuitive Interpretation der Messdaten mit Hilfe einer Fourier-Transformation der Wellenfunktion des Anfangszustands der Photoemission. Dieser Zusammenhang zieht eine Reihe von faszinierenden Anwendungen nach sich und wurde von uns als Methode der Orbitaltomographie bezeichnet. Beispielsweise ist es möglich die Elektronenverteilung einzelner Molekülorbitale im Realraum aus den Messdaten zu bestimmen, und das in entweder in zwei oder sogar in drei Raumdimensionen. Wir konnten auch zeigen, dass sogar die Phaseninformation der Wellenfunktion aus den Photoemissionsmessungen rekonstruiert werden kann. Nicht zuletzt liefert die Orbitaltomographie auch sehr detaillierte Aussagen über die Energieposition und den Charakter von einzelnen Molekülzuständen und deren Wechselwirkung mit Metalloberflächen, was wiederum wichtige Impulse für die weitere Entwicklung von ab-initio Methoden zur elektronischen Strukturberechnung bringt.Diese grundlegenden Untersuchungen der Grenzflächen zwischen organischen Molekülen und Metalloberflächen können in Zukunft dazu beitragen, die Eigenschaften von organischen Halbleiterbauelementen weiter zu verbessern. Ultradünne Schichten aus organischen Molekülen sind die Basis einer neuartigen Halbleitertechnologie, in der biegsame Displays oder kostengünstige Photovoltaik-Zellen mögliche Anwendungen darstellen. Für einen erfolgreichen Einsatz in organischen Halbleiterbauelementen ist jedoch ein fundamentales Verständnis der elektrischen und optischen Eigenschaften an der Molekül / Metall Grenzfläche erforderlich. Insbesondere werden diese Eigenschaften ja durch die fundamentalen Wechselwirkungen der Molekülorbitale mit den Elektronenzuständen an der Metalloberfläche bestimmt. Und daher sind Methoden, die die räumliche Lage sowie die energetische Position der Grenzflächenzustände zugänglich machen, wie eben die Verfahren, die in diesem Projekt entwickelt und angewendet wurden, wichtige Hilfsmittel, um die Effizienz von organischen Halbeleitern in Zukunft weiter steigern zu können.