Dotierung organischer Halbleiter auf die Spur gekommen

Eine Gruppe von Physikern vom cfaed an der TU Dresden konnte gemeinsam mit Forschern aus Japan in einer Studie zeigen, wie sich die Dotierung organischer Halbleiter simulieren und experimentell überprüfen lässt. Die Studie wurde nun in „Nature Materials“ veröffentlicht.

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.“

 Christopher Gaul, Sebastian Hutsch, Martin Schwarze, Karl Sebastian Schellhammer, Fabio Bussolotti, Satoshi Kera, Gianaurelio Cuniberti, Karl Leo, Frank Ortmann, Insight into doping efficiency of organic semiconductors from the analysis of the density of states in n-doped C60 and ZnPc,  Nature Materials 2018, DOI: 10.1038/s41563-018-0030-8