Grundlagen des molekularen Dotierens organischer Halbleiter (FoMEDOS)

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professorin Dr. Caterina Cocchi, seit 10/2017; Professor Dr. Norbert Koch, seit 10/2017; Professor Dr. Dieter Neher
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle und Theoretische Polymerphysik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 286798544

Unsere heutige Informationsgesellschaft basiert auf der Fähigkeit, anorganische Halbleiter wie etwa Silizium kontrolliert zu dotieren und damit deren elektrische Eigenschaften gezielt an anwendungsspezifische Anforderungen anzupassen. Für viele opto-elektronische Anwendungen haben sich allerdings organische Halbleiter als bessere Alternative herauskristallisiert, insbesondere weil deren optische Bandlücke leicht durch chemische Modifikation angepasst werden kann und weil sich diese kostengünstig und großflächig auf flexible Trägermaterialen aufbringen lassen. Auch für diese Materialklasse wurden bereits Verbesserungen etwa von organischen Leuchtdioden oder Solarzellen durch Dotierung mit geeigneten molekularen Dotanden demonstriert. Allerdings stellen sich die dabei erreichbaren Dotiereffizienzen als unerwartet gering heraus, was die Tatsache unterstreicht, dass die zugrundeliegenden Prozesse weit weniger verstanden sind. Dies zeigt sich insbesondere darin, dass zwei wichtige Klassen organischer Halbleiter - kleine, konjugierte Moleküle und konjugierte Polymere - bei Dotierung grundlegend unterschiedliches Verhalten aufweisen, wofür bis heute keine zufriedenstellende Erklärung vorgeschlagen werden konnte. Im Rahmen des gegenwärtigen Projektes soll dieses zentrale Problem gelöst werden, um eine wissensbasierte Verbesserung bestehender organischer opto-elektronischer Bauteile ebenso zu ermöglichen wie die Realisierung neuartiger Funktionalität. Durch Kombination der sich ergänzenden Fähigkeiten dreier erfahrener Projektleiter soll ein umfangreicher Satz experimenteller Methoden auf eine systematische und sorgfältig zusammengestellte Serie an Materialpaaren aus molekularen Dotanden und organischen Halbleitern, sowohl aus der Molekül- als auch aus der Polymerklasse, untersucht werden. Besonderes Augenmerk auf Probenherstellung, strukturelle Charakterisierung (sowohl im Real- als auch im reziproken Raum), Spektroskopie (optisch, vibronisch, Photoelektronen, und Spin) und diverse elektrische Messungen soll ermöglichen, die Phänomenologie von kleinen Molekülen und Polymeren zu vereinheitlichen und damit ein ebenso vereinheitlichtes Modell von molekularem Dotieren aller organischer Halbleiter abzuleiten. Herausforderungen, die sich durch deren typischerweise ungeordnete Natur und die Dominanz starker intramolekularer Wechselwirkungen über schwache intermolekulare Wechselwirkungen ergeben, wird durch ein enges Zusammenspiel zwischen Experiment und Theorie auf mehreren Längenskalen (von ab-initio bis hin zu parametrisierten Modellen) begegnet. Ergebnisse aus dem vorgeschlagenen Projekt werden nicht nur die bisher wenig erforschte Physik solcher Systeme auf grundlegendem Niveau aufklären. Vielmehr ist auch zu erwarten, dass sich Richtlinien für künftigen technologischen Fortschritt ableiten lassen, insbesondere im Hinblick auf die chemische Synthese neuartiger Materialien und die Herstellung verbesserter Bauteile zur Energiegewinnung aus Sonnenlicht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragsteller: Dr. Georg Heimel, bis 10/2017; Professor Dr. Ingo Salzmann, bis 10/2017