3.3 Untersuchung des Ladungstransports in organischen Halbleitern mit elektrochemischen Methoden und theoretischen Modellen

Organische Halbleiter werden heutzutage in vielen verschiedenen technologischen Gebieten verwendet. Um hergestellte Produkte zu verbessern,müssen diese Materialien aber vollumfänglich verstanden werden. In unserem Projekt streben wir an, die organischen Halbleiter anhand elektrochemischer Messungen in Kombination mit Computersimulationen besser zu charakterisieren.

Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer: G. Kissling, E. Knapp, K. Pernstich Fluxim AG Schweizerischer Nationalfonds 2020–2022

Organische Halbleiter werden im Bildschirm-

und Beleuchtungsbereich (OLED-TVs und Lichtmodule) eingesetzt und kommen auch in neuartigen Transistoren, Sensoren, Computerspeicherelementen und Solarzellen zur Anwendung. Um die Anwendungen weiter zu optimieren, benötigt man ein besseres Verständnis der physikalischen Vorgänge und genauere Materialparameter. In diesem multidisziplinären Projekt untersuchen wir organische Halbleiter mittels elektrochemischer Methoden und theoretischer multiphysikalischer Modelle. Das Projekt vereint die Modellier-Expertise des ICP mit elektrochemischer Grundlagenforschung. Ziel des Projekts ist es, eine Methode zu entwickeln, welche es ermöglicht, einige Eigenschaften und Materialparameter organischer Halbleiter zuverlässig zu eruieren. Experimente werden es uns erlauben, einige Materialparameter der Halbleiter zu bestimmen, die enorm wichtig für eine detaillierte Modellierung sind und bisher gar nicht oder nur sehr aufwendig messbar waren. Gängige numerische Modelle können dann mit diesen Erkenntnissen verbessert werden. In unserer Arbeit charakterisieren wir organische Halbleiter, bestehend aus Molekülen, wie zum Beispiel NPB (N,N′-Di(1-naphthyl)-N,N′-diphenyl-(1,1′- biphenyl)-4,4′-diamin), gezeigt in Abbildung 1c, mittels elektrochemischer Messmethoden. Die Moleküle werden entweder in Lösung oder als Dünnschichten elektrochemisch charakterisiert und auf ihre Stabilität und Halbleitereigenschaften (z. B. die Eigenschaften des Valenz- und Leitbandes und die Anwesenheit von Störstellen) geprüft.

Abbildung 1a und b

zeigen unsere erste mit der COMSOL Multiphysics® Software [1] berechnete Simulation einer elektrochemischen Messung von NPB in Lösung. Der rot gezeichnete Teil in Abb. 1a wurde mit Parametern aus der Literatur simuliert [2]. Der blau gezeichnete Teil und die Impedanzspektren in Abb. 1b sind eine modellierte Voraussage, die wir im kommenden Jahr experimentell bestätigen oder verwerfen werden. Die Grundlagenforschung, welche wir in unserem Projekt betreiben, könnte Impulse liefern, die dazu beitragen, die gängigen Methoden der organischen Halbleiterforschung zu verbessern, indem für die Materialcharakterisierung genauere Modelle entwickelt werden können. Durch Zusammenarbeit mit unseren Industriepartnern könnte sich auch ein vermarktbares Produkt entwickeln lassen.

Abb. 1: a: Simulierte zyklische Voltammetrie: Der rote Bereich basiert auf Literaturwerten [2], der blaue Bereich auf ungefähren Schätzungen. Die Impedanzspektren in b wurden für die in a durch Symbole gekennzeichneten Potenziale berechnet: -1 V (oranger Kreis), 0.46 V (dunkelgrünes Dreieck), 0.5 V (violettes Quadrat) und 0.54 V (blaues Pentagon). c Cartoon-Darstellung von NPB.

Literatur:

[1] COMSOL Multiphysics® v. 5.5. www.comsol.com. COMSOL AB, Stockholm, Sweden. [2] J.-E. Park, S. Song and I.-S. Shin, Int. J. Electrochem. Sci., 2016, 11, 5891–5899