Die Anfangsphasen organischen Schichtwachstums

Die organische Elektronik spielt eine immer wichtigere Rolle in der modernen Technologie und Gesellschaft. Eine Vielzahl von elektronischen Geräten die auf organischen Materialien beruhen hat bereits den Markt erobert. Es herrscht jedoch allgemeine Übereinstimmung, dass noch viel Anstrengung unternommen werden muss, um die Eigenschaften dieser elektronischen Geräte zu verbessern. Zu diesem Zeck ist ein tieferes Verständnis der fundamentalen Prozesse im Zusammenhang mit dem Wachstum organischer Schichten vonnöten, da allgemein bekannt ist, dass die elektronischen Eigenschaften ganz wesentlich von der Struktur und Morphologie der organischen Schichten abhängen. Im vorgeschlagenen Projekt sollen diese ersten Schritte beim Schichtwachstum untersucht werden: Adsorption, Diffusion, Nukleation, Koaleszenz und beginnendes Mehrlagen-wachstum. Tatsächlich sind diese ersten Schritte bestimmend für die Eigenschaften der endgültigen organischen Schicht. Die vorgeschlagenen Untersuchungen werden unter gut kontrollierten Ultrahochvakuumbedingungen durchgeführt werden. Eine große Anzahl von oberflächenanalytischen Techniken wird eingesetzt um die Substrate und die organischen dünnen Schichten zu charakterisieren. Insbesondere thermische Desorptionsspektroskopie, Röntgenphotoelektronen-spektroskopie und Atomkraft-Mikroskopie werden eingesetzt, zusätzlich zu weiteren gebräuchlichen Oberflächenanalyseverfahren. Im Rahmen des Projektes werden verschiedene nationale und internationale Zusammenarbeiten erfolgen und es wird auch eine intensive Zusammenarbeit mit Theoretikern stattfinden. Das Hauptziel dieses Projektes ist es das Schichtwachstum mittels spezieller Präparationstechniken, bzw. durch strukturelle und chemische Veränderung der Substratoberflächen vorteilhaft zu beeinflussen. Nanostrukturierung der Substrate mittels Ionenbeschuss unter schrägem Winkel und Molekülabscheidung unter schrägem Winkel sind nur zwei der vorgeschlagenen Möglichkeiten um dies zu realisieren. Zwei verschiedene Gruppen von organischen Molekülen sollen exemplarisch untersucht werden: Stäbchenförmige Moleküle (Quaterphenyl, Hexaphenyl, Pentacene) und scheibchenförmige Moleküle (Hexaacatriphenylene hexacarbonitril, Kupfer-Phtalocyanin). Als Substrate werden Glimmer, Siliziumdioxid, und Einkristalloberflächen von Gold, Silber und Kupfer verwendet werden. Alle diese Materialien sind auch für die Anwendung von Relevanz. Das Endziel dieses Projektes ist die Entwicklung eines umfassenden Modells für die Nukleation von organischen Molekülen, was die notwendige Voraussetzung für die gezielte Beeinflussung des organischen Schichtwachstums ist. Wir sind der tiefen Überzeugung, dass die Resultate dieser Untersuchungen nicht nur von akademischem Interesse sein werden, sondern auch für die Anwendung in der organischen Elektronik von Bedeutung sein werden.

In unserer modernen Zeit haben wir es allerorten mit elektronischen Geräten zu tun, die unser tägliches Leben ganz wesentlich beeinflussen. In Zukunft wird die Elektronik in all ihren Anwendungen sicherlich einen immer stärkeren Einfluss auf das gesellschaftliche Leben ausüben. Man denke nur an das sogenannte Internet der Dinge, in dem der Computer durch intelligente Gegenstände ersetzt wird, z. B. Elektronik in der Kleidung, in den Körper implantierte Elektronik, Sensoren und Aktoren in allen möglichen Bereichen. Das bedeutet, dass die Elektronik der Zukunft zunehmend auf organischen Materialien basieren wird, die womöglich sogar biologisch abbaubar sein werden. Im gegenständlichen Projekt haben wir uns mit der Herstellung und Charakterisierung von dünnen Schichten aus organischen Materialien beschäftigt, die z.B. zur Herstellung von organischen Transistoren, Leuchtdioden oder Solarzellen verwendet werden können. In diesem Zusammenhang haben wir zwei unterschiedliche Ziele verfolgt. Im einen Fall haben wir uns mit den Grundprozessen beschäftigt, die für die Schichtentstehung eine Rolle spielen, wie z.B. Adsorption, Nukleation, Aggregation. Dazu haben wir die Moleküle Pentacen und Hexaphenyl auf Glimmer als Modellsystem untersucht. Auf Grund unserer experimentellen Ergebnisse und in Zusammenarbeit mit Theoretikern konnten wir einige sehr fundamentale Erkenntnisse gewinnen. Zum einen konnten wir zeigen, dass für stäbchenförmige organische Moleküle eher die anlagerungslimitierte Nukleation der fundamentale Mechanismus der Schichtentstehung ist, und nicht die diffusionslimitierte Nukleation, wie es für Metallatome der Fall ist. Eine weitere wichtige Erkenntnis war, daß die länglichen Moleküle, wenn sie auf die Oberfläche aufgedampft werden, nicht sofort die Oberflächentemperatur annehmen, sondern einige Zeit als sogenannte heiße Moleküle vorhanden sind. Auch dies beeinflusst das Schichtwachstum. Schließlich konnten wir eine universelle Beziehung herstellen zwischen der Inseldichte im Film, die durch unterschiedliche Aufdampfraten eingestellt werden kann, und der Inselgrößenverteilung. Dies ermöglicht die Bestimmung der sogenannten kritischen Inselgröße, ohne dass der genaue Nukleationsmechanismus bekannt sein muss. In der zweiten Forschungsschiene haben wir uns mit dem Wachstum von verschiedenen, anwendungsrelevanten organischen Moleküle (Rubicen, Indigo, Quinacridon) beschäftigt. Auch hier konnten wir wieder einige grundlegende Aussagen zum Schichtwachstum treffen: Auf reaktiven Oberflächen formen die länglichen Moleküle typischerweise eine erste, stark gebundene Lage, auf der nadelförmige Inseln wachsen, in denen die Moleküle auch liegend orientiert sind. Auf eher unreaktiven Oberflächen hingegen bilden die Moleküle Inseln die aus aufrecht stehenden Molekülen bestehen. Somit kann man durch Oberflächenmodifikation das Schichtwachstum und damit die Schichteigenschaften maßschneidern.