Organische Halbleiter Licht macht »unmögliches« n-Dotieren möglich

Die Illustration zeigt, wie Licht die gekoppelten Moleküle wieder in einzelne Moleküle zerlegt, die dann als n-Dotierstoffe im organischen Halbleiter fungieren.
Die Illustration zeigt, wie Licht die gekoppelten Moleküle wieder in einzelne Moleküle zerlegt, die dann als n-Dotierstoffe im organischen Halbleiter fungieren.

Organische Halbleiter mit negativen Ladungen zu dotieren, ist besonders schwierig. Die Entdeckung eines deutsch-amerikanischen Forscherteams könnte den Weg zu einer breiteren Anwendung der organischen Elektronik weisen.

In den letzten Jahren werden verstärkt auch organische Halbleitermaterialien untersucht und weiterentwickelt. Auch ihre Eigenschaften basieren wie beim Silizium auf dem gezielten Einbau einer geringen Anzahl fremder Atome oder Moleküle, um ihre Leitfähigkeit präzise zu einstellen.

Für interessante Anwendungen benötigt man jedoch sowohl sogenannte p-dotierte als auch n-dotierte Halbleiterschichten, die miteinander zu den entsprechenden Bauelementen kombiniert werden. Bei organischen Halbleitern ist es jedoch extrem schwierig, eine n-Dotierung zu erreichen. Denn dies erfordert den Einbau einer bestimmten Klasse von organischen Molekülen, die sich unter Umgebungsbedingungen (Sauerstoff, Feuchtigkeit) sehr rasch zersetzen.

Zwei Schritte zum Erfolg

In einem jüngst in Nature Materials erschienenen Beitrag, hat ein deutsch-amerikanisches Team einen neuen Ansatz ausprobiert, um organische Halbleiter mit n-Molekülen zu dotieren. An der Arbeit waren Gruppen aus dem Georgia Institute of Technology, der Princeton University, der Humboldt-Universität zu Berlin sowie dem Helmholtz-Zentrum Berlin beteiligt.

Der neue Ansatz besteht aus zwei Schritten. Im ersten Schritt wurden organometallische Moleküle, die n-Dotiermittel, zu einem sogenannten Dimer verbunden. Dieses gekoppelte Molekül ist im Gegensatz zu den Ausgangsmolekülen relativ stabil und lässt sich unzerstört in den organischen Halbleiter einbringen; allerdings eignet es sich nicht als n-Dotierstoffe und setzt keine negativen Ladungen frei.

Der zweite Schritt bestand nun darin, das Gemisch zu beleuchten. Die einfallenden Photonen zerlegen die Dimere in einem mehrstufigen Prozess wieder in die aktiven Ausgangsmoleküle, die dann ihre Wirkung als n-Dotiermittel voll entfalten konnten.

Leitfähigkeit und Lebensdauer gesteigert

»Durch die Aktivierung der Dotierstoffe mit Licht konnten wir die Leitfähigkeit von organischen Halbleitern um fünf Größenordnungen steigern! Dies könnte die Effizienz von organischen Leuchtdioden und Solarzellen deutlich erhöhen«, freut sich Prof. Antoine Kahn von der Princeton University, der das Projekt koordinierte.

»Diese Forschungsarbeit ermöglicht eine weitaus einfachere Herstellung von n-dotierten organischen Halbleitermaterialien für vielfältigste Anwendungen. Dabei kann der kritische Schritt – nämlich die Zerlegung der Dimere mit Licht – auch nach der Verkapselung geschehen, sodass die Dotiermoleküle geschützt bleiben. Dies wird auch die Lebensdauer solcher Bauelemente erhöhen«, erklärt Prof. Norbert Koch, der die gemeinsame Forschungsgruppe Molekulare Systeme von Humboldt-Universität und Helmoltz-Zentrum leitet. 

Originalpublikation:

Nature Materials (2017): Beating the thermodynamic limit with photo-activation of n-doping in organic semiconductors. Xin Lin, Berthold Wegner, Kyung Min Lee, Michael A. Fusella, Fengyu Zhang, Karttikay Moudgil, Barry P. Rand, Stephen Barlow, Seth R. Marder, Norbert Koch & Antoine Kahn

doi:10.1038/nmat5027