Marcus-Regime in organischen Bauelementen: Ladungstransfer-Mechanismus an Kontakten aufgeklärt

Physik-News vom 09.05.2019


Physiker des Exzellenzclusters Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) der TU Dresden konnten gemeinsam mit Forschern aus Spanien, Belgien und Deutschland in einer Studie zeigen, wie sich Elektronen bei ihrer Injektion in organische Halbleiterfilme verhalten. Simulationen und Experiment konnten eindeutig verschiedene Transportregime identifizieren. Die Studie wurde jetzt in „Nature Communications“ veröffentlicht.

Ladungstransferprozesse spielen eine grundlegende Rolle bei allen elektronischen und optoelektronischen Bauelementen. Für Bauelemente basierend auf organischer Dünnfilmtechnologie sind dies u.a. die Injektion der Ladungsträger über die metallischen Kontakte und der Ladungstransport im organischen Film selbst. Injektionsprozesse an den Kontakten sind hierbei von besonderem Interesse, da für optimale Effizienten der Bauelemente die Kontaktwiderstände an den Grenzflächen minimiert werden müssen. Allerdings sind solche internen Grenzflächen nur schwer zugänglich und daher nicht gut verstanden.


Schematische Darstellung des Bauelements: a – Schematischer Querschnitt des Bauelements. b – Arbeitsweise des Hot-Elektronen-Transistors. Elektronen werden durch Anlegen einer negativen Spannung zwischen Emitter und Basis in den molekularen Halbleiter injiziert und dort nachgewiesen. Diese heißen Elektronen befinden sich nicht im Gleichgewicht mit den thermischen Elektronen in der Basis, und können nicht durch eine höhere Temperatur beschrieben werden. Die Messungen können sowohl mit als auch ohne Kollektor-Basisspannung durchgeführt werden.

Das Team um den cfaed-Forschungsgruppenleiter Dr. Frank Ortmann (Computational Nanoelectronics Group) konnte nun gemeinsam mit Forschern aus Spanien, Belgien und Deutschland in einer Studie zeigen, dass sich der elektronische Transportmechanismus bei der Injektion in einen organischen Film durch das sogenannte Marcus-Hüpfmodell beschreiben lässt, welches aus der Physikalischen Chemie bekannt ist und auf den amerikanischen Chemiker Rudolph Arthur Marcus zurückgeht.

Durch vergleichende theoretische und experimentelle Untersuchungen konnten die in der Marcus-Theorie vorhergesagten Transportregime zweifelsfrei identifiziert werden. „Die von R.A. Marcus im Zusammenhang mit Fragestellungen der chemischen Synthese in den 50er Jahren abgeleiteten Vorhersagen, insbesondere das sogenannte ‚Invertierte Marcus-Regime‘, konnten erst viele Jahrzehnte später durch systematische Experimente zu chemischen Reaktionen bestätigt werden. Für seine wichtigen theoretischen Beiträge hat R.A. Marcus den Chemie-Nobelpreis 1992 verliehen bekommen.“, so Ortmann.

„Nun ist der Nachweis des ‚Invertierten Marcus-Regimes‘, bei dem eine höhere Spannung einen niedrigeren Strom erzeugt, erstmalig in einem organischen Transistor gelungen, bei dem die Injektions-Spannung aktiv kontrolliert werden kann“, führt Ortmann weiter fort. Dies führe zum besseren Verständnis elektronischer und optoelektronischer organischer Bauelemente allgemein.


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