cfaed-Forscher der TU Dresden sind Dotierung organischer Halbleiter auf die Spur gekommen

Atomares Strukturmodell eines Clusters des dotierten Halbleiters C60 mit Benzimidazolin-Dotand (Darstellung der Atome im Kugel-Stab-Modell) S. Schellhammer/ F. Ortmann

Das Dotieren bezeichnet in der Halbleitertechnik das gezielte Einbringen von Fremdatomen (auch Dotanden genannt) in eine Schicht oder in das Halbleitermaterial eines integrierten Schaltkreises. Diese Dotanden sind beabsichtigte „Störungen“ im Halbleiter, mit denen sich das Verhalten der Elektronen und damit die elektrische Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials gezielt steuern lässt.

Schon geringste Mengen davon können einen sehr starken Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit haben. Dotierung verleiht Halbleitern ihre Funktionalität in allen wichtigen elektronischen Bauelementen und bildet somit das Rückgrat der Elektronikindustrie.

Obwohl das Prinzip der Dotierung von konventionellen Halbleitern bereits 1950 von dem US-Physiker John Robert Woodyard beschrieben wurde, gibt es bis heute Unklarheiten über Vorgänge beim Dotieren organischer Halbleiter. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sowohl die Dotanden als auch das Halbleitermaterial aus Molekülen bestehen und die Dotiereffizienz von verschiedenen Effekten beeinflusst wird, die noch nicht gut verstanden sind.

Eine Gruppe von Physikern der TU Dresden um den cfaed-Forschungsgruppenleiter Dr. Frank Ortmann (Computational Nanoelectronics Group) konnte nun in einer Studie zeigen, wie sich verschiedene Dotiereigenschaften simulieren und anschließend experimentell überprüfen lassen.

Dafür wurden die Zustandsdichte und die Position des Ferminiveaus der prototypischen Materialien C60 und Zinkphthalocyanin, welche mit hocheffizienten Benzimidazolin-Radikalen (2-Cyc-DMBI) n-dotiert wurden, simuliert und in direkter und inverser Photoemissions-Spektroskopie experimentell bestimmt.

Diese Arbeit mit Kollaborationspartnern aus Japan und mit den cfaed-Partnern Prof. Karl Leo (Professur für Optoelektronik) und Prof. Gianaurelio Cuniberti (Professur für Materialwissenschaft und Nanotechnik) von der TU Dresden wurde nun in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht.

Die Wissenschaftler untersuchen darin die Rolle von elektronischen Zuständen in der Bandlücke, die durch das Dotieren erzeugt wurden. Insbesondere identifizierten sie den energetischen Unterschied Δ zwischen der Elektronenaffinität des undotierten Moleküls und dem Ionisationspotential seines dotierten Gegenstücks (in der Nähe von Dotanden) als Schlüsselparameter für effiziente Dotierung.

„Dieser Parameter ist kritisch für die Erzeugung von freien Ladungsträgern und beeinflusst damit die Leitfähigkeit der dotierten Filme“, so Ortmann. „Strategien zur Optimierung der elektronischen Eigenschaften organischer Halbleiter können durch die Veränderung des Wertes von Δ untersucht und charakterisiert werden.“

Titel der Arbeit: “Insight into doping efficiency of organic semiconductors from the analysis of the density of states in n-doped C60 and ZnPc” (Nature Materials)
DOI: 10.1038/s41563-018-0030-8
Autoren: Christopher Gaul, Sebastian Hutsch, Martin Schwarze, Karl Sebastian Schellhammer, Fabio Bussolotti, Satoshi Kera, Gianaurelio Cuniberti, Karl Leo, Frank Ortmann

Über die Computational Nanoelectronics Group: Die Forschungsgruppe am Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) unter Leitung von Dr. Frank Ortmann erforscht elektronische Eigenschaften und Ladungstransporteigenschaften neuartiger Halbleitermaterialien. Hierbei sind organische Halbleiter aktuell ein wichtiger Schwerpunkt der Arbeit, die durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Emmy Noether-Programms gefördert wird. Die Gruppe ist seit 2017 am cfaed angesiedelt.

Informationen für Journalisten:
Dr. Frank Ortmann
Technische Universität Dresden
Center for Advancing Electronics Dresden
Tel.: +49 (0) 351 463-43260
E-Mail: frank.ortmann@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
cfaed, Leitung Wissenschaftskommunikation
Tel.: +49 (0) 351 463-42847
E-Mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de

cfaed
Zum Exzellenzcluster für Mikroelektronik an der Technischen Universität Dresden gehören elf Forschungsinstitute, darunter die Technische Universität Chemnitz sowie zwei Max-Planck-Institute, zwei Fraunhofer-Institute, zwei Leibniz-Institute und das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Auf neun verschiedenen Pfaden forschen rund 300 Wissenschaftler nach neuartigen Technologien für die elektronische Informationsverarbeitung. Sie verwenden dabei innovative Materialien wie Silizium-Nanodrähte, Kohlenstoff-Nanoröhren oder Polymere. Außerdem entwickeln sie völlig neue Konzepte, wie den chemischen Chip oder Herstellungsverfahren durch selbstassemblierende Strukturen, bspw. DNA-Origami. Ziele sind zudem Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und das reibungslose Zusammenspiel der unterschiedlichen Bauelemente. Darüber hinaus werden biologische Kommunikationssysteme betrachtet, um Inspirationen aus der Natur für die Technik zu nutzen. Dieser weltweit einzigartige Ansatz vereint somit die erkenntnisgetriebenen Naturwissenschaften und die innovationsorientierten Ingenieurwissenschaften zu einer interdisziplinären Forschungsplattform in Sachsen.

www.cfaed.tu-dresden.de

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