RIKEN-Chemiker haben ein Molekül entwickelt, das die Leistung organischer elektronischer Geräte verbessert und zudem stabiler ist als bisherige Alternativen. Damit steigen die Chancen, dass es in industriellen Herstellungsprozessen eingesetzt werden könnte. Die Studie ist veröffentlicht In Fortgeschrittene Werkstoffe.
Konventionelle elektronische Geräte werden aus harten Halbleitern wie Silizium hergestellt, doch in Geräten wie Fernsehern und Handy-Displays, die organische Leuchtdioden (OLEDs) verwenden, kommen zunehmend organische Halbleitermoleküle zum Einsatz.
„Organische elektronische Geräte sind starke Kandidaten für dünne, leichte und flexible Geräte, die mit anorganischen Materialien nicht einfach zu realisieren sind“, erklärt Kazuo Takimiya vom RIKEN Center for Emergent Matter Science, der die Forschung leitete.
Organische Halbleiter benötigen jedoch die Hilfe anderer Moleküle, sogenannter Dotierstoffe, um den Ladungsfluss durch sie zu steigern. Einige Dotierstoffe enthalten beispielsweise Elektronen auf hohem Energieniveau, die leicht in einen Halbleiter abgegeben werden können. Bestehende elektronenspendende organische Dotierstoffe sind jedoch in der Regel instabil, was ihre Entwicklung, Synthese und Handhabung erschwert, sagt Takimiya.
Sein Team hatte zuvor Derivate eines Moleküls namens Tetraphenyldipyranyliden untersucht, das leicht Elektronen an organische Halbleitermaterialien abgeben kann. Durch weitere Veränderungen an diesem Molekül haben sie nun dessen Stabilität bei hohen Temperaturen verbessert.
Die vielversprechendste Änderung war die Hinzufügung von Stickstoff-basierten Amingruppen, die Elektronen in den zentralen Bereich des Moleküls drängen. Theoretische Berechnungen legten nahe, dass das resultierende Molekül, genannt DP7, Elektronen auf einem ausreichend hohen Energieniveau hat. Experimente zeigten, dass es außerdem sehr stabil ist und durch Vakuumabscheidung – einem der am häufigsten verwendeten Verfahren in der Halbleiterherstellung – in Geräte eingebracht werden kann.
Das Team integrierte DP7 in mehrere organische elektronische Geräte, darunter einen organischen Feldeffekttransistor (OFET), der aus einem dünnen Film aus Buckminsterfulleren (auch „Buckyballs“ genannt) auf einem Substrat auf Siliziumbasis bestand. Sie fügten ultradünne DP7-Flecken hinzu, um die Buckminsterfullerenschicht mit Goldelektroden zu verbinden.
Die Forscher stellten fest, dass die Schnittstelle zwischen Buckminsterfulleren und DP7 einen viel geringeren elektrischen Widerstand aufwies als frühere Varianten des Dotierstoffs – tatsächlich hatte sie einen der niedrigsten Widerstände aller bisher bekannten elektronendotierten OFETs. Dies wird den Elektronenfluss in das Buckminsterfulleren verbessern.
Darüber hinaus war das Gerät stabil und zeigte nach zweiwöchiger Lagerung in einer inerten Atmosphäre keinen Abbau.
DP7 lässt sich mithilfe von nur zwei chemischen Reaktionen aus handelsüblichen Chemikalien leicht herstellen, und Takimiya ist optimistisch, dass es in der Industrie Anwendung finden könnte. „Bei kommerziellen Geräten könnte es verwendet werden, um die Leitfähigkeit der Elektronentransportschicht in OLEDs zu verbessern, die im Vakuumverfahren hergestellt werden.“
Die Forscher suchen nun nach anderen stabilen Dotierstoffen, die über noch größere Elektronendonorfähigkeiten verfügen.
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Takaya Matsuo et al., Ein neuartiger molekularer Dotierstoff vom N‐Typ mit geschlossenschaliger elektronischer Struktur, anwendbar im Vakuumabscheidungsprozess, Fortgeschrittene Werkstoffe (2024). DOI: 10.1002/adma.202311047