Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Elektronen sichtbar gemacht: Physikern gelingt Einblick in molekulare Halbleiter

14.12.2011
Einem Team von Physikern ist der Nachweis gelungen, dass auch die Elektronen in großen Molekülen – beispielsweise in organischen Halbleitern – mit hoher Präzision durch einzelne Orbitale beschrieben werden können.

Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Stephan Kümmel an der Universität Bayreuth konnte zeigen, dass es dabei sehr darauf ankommt, wie die Orbitale berechnet werden. Ihre theoretischen Vorhersagen wurden durch spektroskopische Messungen unter der Leitung von Dr. Achim Schöll und Prof. Dr. Friedrich Reinert an der Universität Würzburg und der Universität Hiroshima eindrucksvoll bestätigt. In den "Physical Review Letters" stellen die Wissenschaftler ihre Forschungsarbeiten vor.


Physikalische Forschungen zu NTCDA-Molekülen. NTCDA ist ein organischer Halbleiter, die Abkürzung steht für Naphthalenetetracarboxylic dianhydride. Links die Darstellung eines Orbitals, das auf theoretischen Berechnungen der Forschungsgruppe an der Universität Bayreuth beruht. Rot gekennzeichnet sind dabei die Bereiche, in den sich Elektronen mit besonders hoher Wahrscheinlichkeit aufhalten. Rechts daneben eine Darstellung des gleichen Orbitals auf der Basis empirischer Daten, die durch spektroskopische Untersuchungen an der Universität Würzburg gewonnen wurden. Die Berechnungen werden auf diese Weise klar bestätigt.
Grafik: Prof. Dr. Stephan Kümmel; zur Veröffentlichung frei.

Molekulare Halbleiter sind das Herzstück zahlreicher neuer Technologien, beispielsweise von organischen Solarzellen, die Lichtenergie in elektrischen Strom umwandeln. Die Weiterentwicklung dieser Technologien ist umso effektiver, je genauer die Strukturen organischer Halbleitermaterialien aufgeklärt werden. Ein Schlüssel für ein vertieftes Verständnis sind dabei die Eigenschaften der Elektronen. In jedem Molekül bilden die Elektronen eine Hülle, welche die Kerne der chemisch verbundenen Atome umschließt. Je geringer die Energiezustände von Elektronen sind, desto tiefer sind sie im Zentrum eines Moleküls angesiedelt; die Elektronen in höheren Energiezuständen befinden sich hingegen weiter außen im Randbereich eines Moleküls. Da besonders diese äußeren Elektronen die Eigenschaften der Moleküle bestimmen, ist es wichtig, dass gerade sie korrekt von einer Theorie beschrieben werden.

Aus prinzipiellen Gründen ist es nun aber unmöglich, die Aufenthaltsorte von Elektronen präzise zu ermitteln. Die physikalische Forschung kann lediglich Bereiche definieren, in denen sich mit hoher Wahrscheinlichkeit Elektronen befinden. Diese Bereiche, die als Orbitale bezeichnet werden, lassen sich einerseits theoretisch berechnen. Andererseits liefert die Photoelektronenspektroskopie (PES) empirische Daten, die es erlauben, die räumliche Gestalt solcher Bereiche zu rekonstruieren. Dadurch wird eine graphische Darstellung der Orbitale möglich.

Für kleine Moleküle stimmen die theoretisch berechneten und die experimentell bestimmten Orbitale häufig überein. Wenn es hingegen um technologisch interessante große Moleküle wie organische Halbleiter geht, gibt es eine solche Übereinstimmung in der Regel nicht. Die Bayreuther Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Stephan Kümmel konnte jedoch – im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie – ein Konzept entwickeln, das es erlaubt, die Orbitale von Elektronen mit hoher Genauigkeit zu berechnen. Sein Mitarbeiter Matthias Dauth hat dieses Verfahren auf Moleküle organischer Halbleiter angewendet. Anschließend hat er die Ergebnisse mit Berechnungen verglichen, zu denen die physikalische Forschung von anderen theoretischen Ansätzen aus gelangt. "Die Unterschiede waren signifikant", berichtet Dauth."Um nachzuweisen, dass das in Bayreuth entwickelte Berechnungsverfahren die präziseren Vorhersagen erlaubt, war daher der Vergleich mit experimentellen Ergebnissen, also möglichst leistungsstarken spektroskopischen Untersuchungen, ausgesprochen wichtig."

Deshalb haben die Bayreuther Physiker die Zusammenarbeit mit Forschergruppen an der Universität Würzburg und der Universität Hiroshima gesucht. In Würzburg arbeiten Dr. Achim Schöll und Prof. Dr. Friedrich Reinert, Lehrstuhl für Experimentelle Physik VII, schon seit längerer Zeit daran, die Photoelektronenspektroskopie (PES) auf komplexe Moleküle anzuwenden. Die Versuchsreihen, die sie mit ihren Mitarbeitern an organischen Halbleitern durchgeführt haben, bestätigen die Bayreuther Berechnungen. Die Orbitale, die für Elektronen in den Randbereichen dieser Moleküle theoretisch prognostiziert worden waren, stimmen auf eindrucksvolle Weise mit den Orbitalen überein, die auf der Basis empirischer Daten sichtbar gemacht werden konnten.

"Diese Übereinstimmung von Theorie und Experiment ermutigt uns, das theoretische Konzept weiterzuentwickeln, um die Elektroneneigenschaften noch genauer bestimmen zu können", erklärt Kümmel. "Wir gewinnen auf diese Weise direkten Einblick in die elektronischen Eigenschaften von Materialien, die sich für neue Halbleitertechnologien mit großem Gewinn nutzen lassen, nicht zuletzt bei der Entwicklung effizienter Verfahren der Stromerzeugung."

Veröffentlichung:

M. Dauth, T. Körzdörfer, and S. Kümmel; J. Ziroff, M. Wiessner, A. Schöll, and F. Reinert;
M. Arita and K. Shimada:
Orbital Density Reconstruction for Molecules,
in: Physical Review Letters 107, 193002 (2011)
DOI-Bookmark: 10.1103/PhysRevLett.107.193002
Ansprechpartner:
Prof. Dr. Stephan Kümmel
Theoretische Physik IV
Universität Bayreuth
D-95440 Bayreuth
Tel.: +49 (0)921 / 55-3220
E-Mail: stephan.kuemmel@uni-bayreuth.de

Christian Wißler | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-bayreuth.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

nachricht Innovative High Power LED Light Engine für den UV Bereich
22.06.2017 | Omicron - Laserage Laserprodukte GmbH

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Im Focus: Forscher entschlüsseln erstmals intaktes Virus atomgenau mit Röntgenlaser

Bahnbrechende Untersuchungsmethode beschleunigt Proteinanalyse um ein Vielfaches

Ein internationales Forscherteam hat erstmals mit einem Röntgenlaser die atomgenaue Struktur eines intakten Viruspartikels entschlüsselt. Die verwendete...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

Forschung zu Stressbewältigung wird diskutiert

21.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt

22.06.2017 | Physik Astronomie

Evolutionsbiologie: Wie die Zellen zu ihren Kraftwerken kamen

22.06.2017 | Biowissenschaften Chemie

Spinflüssigkeiten – zurück zu den Anfängen

22.06.2017 | Physik Astronomie