Um den Eigenschaften und Fähigkeiten von organischen Halbleitern auf die Spur zu kommen hat ein Team von Forschenden der Universität Graz (Ag Sterrer, Experimentalphysik und Ag Puschnig, Theorie), zusammen mit der Universität Tübingen (Ag Bettinger und AG Chasse), nun ein bislang unerforschtes Molekül-Metall-System hergestellt. Die Untersuchung erfolgte mit Hilfe des Impulsmikroskopes der NAWI Graz Core Facility „Photoemission Elektron Microscopy for Nanomaterials“ in Kooperation mit Forschenden des Institutes für Experimentalphysik (Ag Schultze) an der TU Graz. Dieses Mikroskop stellt eine hochentwickelte Methode zur Erforschung der elektronischen Struktur von Nanomaterialien dar. Damit konnten sowohl die elektronischen Eigenschaften eines neuartigen Moleküls detektiert werden, als auch die Veränderung dieser Eigenschaften durch temperaturgesteuertes Wachstum gezeigt werden.
Komplexe Herstellung von langkettigen Acenen
Acene gehören zur Gruppe der polyzyklischen aromatischen Kohlenwasserstoffe. Sie bestehen aus linear aneinandergereihten Benzolringen, auch vorstellbar als eine eindimensionale Graphenkette. Das aus sieben Ringen bestehende Molekül Heptacene (7A) wurde an der Universität Tübingen in einem komplexen Verfahren synthetisiert und weist vorteilhafte Halbleitereigenschaften auf. Das hergestellte Molekül konnte nun von den Grazer Forschern mit Hilfe eines Verdampfungsverfahrens zu monomolekular dicken Schichten präpariert werden. Hier zeigte sich die Stärke der NanoESCA Hochleistungsinfrastruktur, in der das Impulsmikroskopie-Systems mit einer Ultrahochvakuumkammer, ausgestattet mit state of the art Herstellungs- und Analysemethoden, kombiniert ist.
Impulsmikroskopie klärt die elektronische Struktur in 3D auf
Das Messprinzip eines Impulsmikroskops beruht auf der Erstellung dreidimensionaler Messkuben mit deren Hilfe Molekülorbitale eindeutig zugeordnet werden können. Die Grazer Forscher fanden heraus, dass 7A Moleküle auf einer Kupferoberfläche ihre elektronischen Zustände stark verändern. Es zeigte sich, dass Elektronen in bislang unbesetzte Zustände transferiert werden und somit grundlegend die elektronischen Schlüsselparameter verändern. Die transferierte elektronische Ladung war ungewöhnlich groß und konnte durch Hand in Hand gehende theoretische Berechnungen bestätigt werden. Ungeachtet des hohen Grades an Ladungstransfers zeichnet sich dieses Molekül-Metall System durch seine Wandlungsfähigkeit aus.
Die Forscher konnten zeigen, dass die Moleküle in zwei Orientierungen auf der Oberfläche vorliegen können. Die Anzahl der Moleküle in der jeweiligen Orientierung konnte über die Temperatur der Oberfläche bei der Herstellung des Films reguliert werden. Impulsraum Mikroskopie konnte eindeutig beweisen, dass abhängig von der Orientierung der Moleküle die elektronischen Eigenschaften und Menge der transferierten Ladung unterschiedlich sind.
Die Arbeiten wurden im Rahmen des FWF-Projektes „Photoemissions-Tomographie angeregter Molekülzustände“ I4145-N36 durchgeführt.
Literaturhinweis
"Demonstrating the Impact of the Adsorbate Orientation on the Charge Transfer at Organic–Metal Interfaces", Thomas Georg Boné, Andreas Windischbacher, Marie S. Sättele, Katharina Greulich, Larissa Egger, Thomas Jauk, Florian Lackner, Holger F. Bettinger, Heiko Peisert, Thomas Chassé, Michael G. Ramsey, Martin Sterrer, Georg Koller, and Peter Puschnig.The Journal of Physical Chemistry C, 2021 DOI: 10.1021/acs.jpcc.1c01306
