Neue Studie deckt Rolle des Ladungstransports in organischen Materialien auf
Im Rahmen von ELECTROMAT(öffnet in neuem Fenster) (Electronic transport in organic materials) arbeiteten die Forscher an der Entwicklung eines theoretischen und rechnerischen Rahmens, der die atomare Struktur des organischen Materials mit seinen elektrischen Eigenschaften in Verbindung setzt. Organische Halbleiter können empfindlich für polaronische Effekte sein, was bedeutet, dass sie Ladung nicht effektiv transportieren können. Vor diesem Hintergrund bestand die erste Aufgabe darin, die Art der Ladungsträger in organischen Kristallen zu identifizieren. Eine detaillierte Studie zur Elektron-Phonon-Kopplung in Polyazenkristallen zeigte, dass eine solche Kopplung nicht stark genug ist, um zur Bildung von Polarons zu führen. Als nächstes entwickelte das Team von ELECTROMAT eine Methode, um den Ladungstransport in organischen Kristallen zu simulieren. Das Verfahren umfasste die Verwendung von ab-initio-Berechnungen, die die Quantennatur sowohl von Phononen als auch von Elektronen berücksichtigten. Daten in Bezug auf die Ladungsträgerbeweglichkeit mit zunehmender oder abnehmender Temperatur stimmten gut mit den experimentellen Daten in organischen Polyazenkristallen überein. Die theoretischen Daten entsprachen auch den experimentell Daten zu Quantenpunktkristallen. In solchen Feststoffen stellte das Team außerdem fest, dass das Hopping kleiner Polarons den relevanten Leitungsmechanismus darstellt. In Abhängigkeit von den Verarbeitungsbedingungen könnten konjugierte Polymermaterialien eine komplexe Struktur aufweisen; einige Teile sind in einer geordneten Art und Weise angeordnet und andere bilden ein wirres Durcheinander. Über die Rolle der Schnittstelle zwischen kristallinen und amorphen Bereichen im Ladungstransport wissen wir nicht viel. Durch die Betrachtung von zwei verschiedenen Schnittstellentypen fanden die Forscher heraus, dass der Ladungstransport durch kristalline Domänen stattfindet. Die amorphen Domänen wirken als hohe Barrieren für Ladungsträger. Im Gegensatz zu dem, was in organischen Kristallen aus kleinen Molekülen geschieht, gab es an der Grenzfläche keine Bildung von Trap-Zuständen. Durch Simulationen gewannen die Forscher auch ein gründliches Verständnis des Ladungstransports in sehr ungeordneten und geordneten konjugierten Polymeren. Sind Korngrenzen in organischen Kristallen schädlich für den Ladungstransport? Das Team stellte fest, dass Korngrenzen Trap-Zustände innerhalb der Bandlücke des Materials einführen. Ihre räumlichen Positionen und Energien können allein aus der geometrischen Anordnung der Moleküle in der Nähe der Grenze vorhergesagt werden. Darüber hinaus werden Wellenfunktionen dieser Zustände auf eng beieinander liegenden Paaren von Molekülen aus der Grenze lokalisiert. Organische Materialien bieten eine kostengünstige Alternative für den Einsatz in Solarzellen, Feldeffekttransistoren, Leuchtdioden und sogar Lithium-Polymer-Autobatterien. Die Einblicke von ELECTROMAT in den Ladungstransport in solchen Materialien sollen große sozioökonomische Auswirkungen haben.
Schlüsselbegriffe
Ladungstransport, organische Materialien, organische Kristalle, Polarons, Korngrenzen
