Preiswerte und biegsame Bildschirme für den Arbeitsplatz, effiziente und leistbare Fotovoltaik-Anlagen für das Eigenheim: Die mechanische Flexibilität organischer Moleküle erlaubt in Zukunft vollkommen neue Perspektiven in der Halbleitertechnologie. Jedoch wird ihr großflächiger Einsatz in technischen Anwendungen dadurch erschwert, dass sie elektrischen Strom schlecht transportieren. Dass die Leitfähigkeit organischer Materialien unter bestimmten Bedingungen erhöht werden kann, klärten nun WissenschafterInnen der Karl-Franzens-Universität Graz in einer gemeinsamen Untersuchung mit KollegInnen der Universitäten Würzburg und Hiroshima, Japan, auf. Die Ergebnisse dieser Grundlagenforschung erschienen vor kurzem in der Fachzeitschrift „Nature Communications“.
Verbesserte Materialien versprechen neue Anwendungsgebiete: So haben zum Beispiel herkömmliche Fotovoltaik-Anlagen – sie erledigen die Umwandlung von Sonnenlicht zu elektrischer Energie – derzeit einen Wirkungsgrad von maximal rund 20 Prozent bei vergleichsweise hohen Kosten. „Hier können organische Halbleiter eine vielversprechende Alternative bieten“, erklärt Ass.-Prof. Dr. Peter Puschnig, Physiker an der Uni Graz sowie Ko-Autor des wissenschaftlichen Artikels. „Allerdings leiten diese neuartigen Materialien elektrischen Strom eher schlecht.“ Die Ursache dieser mangelnden Effizienz liegt in erster Linie bei der schwachen Bindung oder Kommunikation zwischen den einzelnen Molekülen. „Die Elektronen müssen für den Transport von einem Molekül zum nächsten eine Barriere überwinden. Wir konnten nun nachweisen, dass über die Wechselwirkung der Moleküle mit einem metallischen Träger auch der Elektronentransport innerhalb der Molekülschicht verbessert wird “, führt der Physiker aus. Puschnig zeichnet für die theoretische Beschreibung und die numerische Simulation der Untersuchung verantwortlich; seine KollegInnen aus Würzburg und Hiroshima stellten die Molekülfilme her und führten die experimentelle Charakterisierung durch.
Das Experiment
In einem Ultrahochvakuum brachten PhysikerInnen eine einzelne geordnete Schicht organischer Moleküle durch Aufdampfen auf ein metallisches Trägermaterial, einen so genannten „Silbereinkristall“, auf. So angeordnet, zeigten die Moleküle ein ungewöhnliches Verhalten: „Es stellte sich heraus, dass Elektronenwolken benachbarter Moleküle einen gemeinsamen Zustand mit dem Metall ausbilden, wodurch benachbarte Moleküle animiert werden, miteinander zu kommunizieren“, erklärt Puschnig. Dadurch wird der Austausch von Ladungen erleichtert und die Leitfähigkeit erhöht. Diese Erkenntnis ist ein erster Schritt in Richtung Weiterentwicklung in der Materialtechnologie.
Das Projekt wurde vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF unterstützt und ist im universitären Forschungsschwerpunkt „Modelle und Simulation“ der Universität Graz verankert.
Publikation in der Fachzeitschrift „Nature Communications“
Substrate-mediated band-dispersion of adsorbate molecular states. M. Wießner, J. Ziroff, F. Forster, M. Arita, K. Shimada, P. Puschnig, A. Schöll & F. Reinert. Nature Communications, DOI: 10.1038/ncomms2522
Rückfragen:
Ass.-Prof. Dr. Peter Puschnig
Institut für Physik
Karl-Franzens-Universität Graz
+43 316 380 5230
E-Mail: peter.puschnig(at)uni-graz.at