Organische Elektronik Eigenschaften von Porphyrinen entschlüsselt

Anlagerung eines Nickel-Porphyrin-Komplexes auf ein Kupfersubstrat.
Anlagerung eines Nickel-Porphyrin-Komplexes auf ein Kupfersubstrat.

Porphyrine spielen nicht nur in unserm Körper eine wichtige Rolle, es gilt auch als vielversprechender Kandidat für vielfältige technische Anwendungen. Nun hat ein Forscherteam die grundlegenden elektronischen Eigenschaften eines Nickel-Porphyrin-Komplexes auf einem Kupfersubstrat entschlüsselt.

Porphyrine spielen beim Sauerstofftransport im Blut oder bei der Fotosynthese eine wichtige Rolle. Diese organischen Verbindungen sind äußerst vielseitige Moleküle, die unterschiedliche elektronische, magnetische und räumliche Zustände einnehmen können. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich, der Karl-Franzens Universität Graz und der Universität von Triest haben nun erstmals im Detail die grundlegenden elektronischen Eigenschaften eines Nickel-Porphyrin-Komplexes auf einem Kupfersubstrat entschlüsselt. Sie konnten zeigen, wie sich die Geometrie des Moleküls durch die Adsorption auf dem Substrat ändert und einen unerwartet großen Ladungstransfer zwischen den Materialien beobachten. Die Erkenntnisse sollen zum Design von künftiger organischer Elektronik beitragen. Das Porphyrin-Metallsystem wird in mehreren vielversprechenden organischen Anwendungen eingesetzt, z. B. in kolorimetrischen Gassensoren, organischen Spin-Ventile, Feldeffekttransistoren, Leuchtdioden, optischen Schaltern, nichtflüchtigen Datenspeichersysteme und Solarzellen. Insbesondere werden supramolekulare Multiprophyrin-Arrays als funktionelle Komponenten in Nanomaschinen betrachtet.

Das Verhalten der Elektronen an der Grenzfläche von Porphyrinen und metallischen Trägersubstraten ist von großer Bedeutung für entsprechende technische Anwendungen, die in der Regel aus mehreren organischen und metallischen Schichten aufgebaut sind. Um neue Erkenntnisse zu erlangen, haben die Wissenschaftler aus Jülich und Triest zunächst eine ultradünne Schicht (unter 1 nm) von Nickel-Tetraphenyl-Porphyrin auf ein Kupfersubstrat aufgedampft. Die atomare Struktur untersuchten sie mithilfe eines Rastertunnelmikroskops und mittels Fotoemissionstomografie am Synchrotron Elettra in Triest. Durch eine in den letzten Jahren in Graz und Jülich entwickelte Methode gelang es ihnen zudem, die energetische Lage sowie die räumliche Struktur einzelner Molekülorbitale detailliert zu bestimmen.

Molekül-Substrat- und Molekül-Molekül-Wechselwirkungen führen oft zu einem Ladungstransfer zwischen dem Substrat und den niedrigsten unbesetzten und höchsten besetzten molekularen Orbitalen. Darüber hinaus ist bei magnetischen Substraten die Einführung von Spin-Freiheitsgraden durch die Bildung von Spin-polarisierten Hybrid-Grenzflächenzuständen zu berücksichtigen. »Aus dieser Perspektive sind detaillierte Informationen über Veränderungen in der elektronischen Struktur von Molekülen bei der Adsorption an der Schnittstelle entscheidend für das Design und den Prototyp neuer Bauteile auf der Basis organischer Verbindungen«, erklärt Prof. Claus Schneider vom Jülicher Peter Grünberg Institut (PGI-6). »Das Haupthindernis in dieser Hinsicht beruht auf der Schwierigkeit bei der Vorhersage, Modellierung und Messung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften der Schnittstellen«, ergänzt Prof. Giovanni Comelli von der Universität Triest.

Originalpublikation:

G. Zamborlini, D. Lüftner, Zh. Feng, B. Kollmann, P. Puschnig, C. Dri, M. Panighel G. Di Santo, A. Goldoni, G. Comelli, M. Jugovac, V. Feyer, and C. M. Schneider;

Multi-orbital charge transfer at highly oriented organic/metal interfaces;

Nature Communications (2017), DOI: 10.1038/s41467-017-00402-0