In einer molekularen Meisterleistung, die damit vergleichbar ist, Fußgänger auf einem Fußgängerüberweg dazu zu bringen, spontan im Gleichschritt zu gehen, haben Forscher der Kyushu-Universität eine Reihe von Molekülen geschaffen, die dazu neigen, in die gleiche Richtung zu blicken, um ein „riesiges Oberflächenpotential“ zu bilden, wenn sie auf eine Oberfläche verdampft werden.
Die Forscher hoffen, den Ansatz nutzen zu können, um kontrollierte elektrische Felder zu erzeugen, die dazu beitragen, die Effizienz von organischen Leuchtdioden zu verbessern, die in Displays und Beleuchtung verwendet werden, und neue Wege für die Realisierung von Geräten eröffnen, die Vibrationen mit organischen Materialien in Strom umwandeln.
Basierend auf der fantastischen chemischen Vielseitigkeit von Kohlenstoff, die lebende Organismen ermöglicht, treibt die organische Elektronik bereits eine Welle lebendiger – und sogar flexibler – Smartphone- und Fernsehbildschirme voran, mit Anwendungen in Solarzellen, Lasern und Schaltkreisen am Horizont.
Diese Flexibilität ist teilweise auf die ungeordnete Natur der dünnen Filme der in den Vorrichtungen verwendeten Materialien zurückzuführen. Im Gegensatz zu herkömmlicher anorganischer Elektronik, die auf fest verbundenen Siliziumatomen in starren, gut organisierten Kristallen basiert, bilden organische Materialien normalerweise „amorphe“ Schichten, die nicht annähernd so ordentlich organisiert sind.
Trotz der scheinbar zufälligen Organisation der Moleküle haben Forscher herausgefunden, dass einige tatsächlich dazu neigen, sich in ähnliche Richtungen auszurichten, was die Eigenschaften eines Geräts tiefgreifend beeinflusst und neue Möglichkeiten zur Steuerung der Geräteleistung schafft.
„Bedeutsame Arbeit wurde bereits an Molekülen geleistet, die sich so ausrichten, dass das von ihnen emittierte Licht einem Gerät leichter entkommen kann“, sagt Masaki Tanaka, Assistenzprofessor an der Tokyo University of Agriculture and Technology (TUAT), der mit der aktuellen Arbeit begonnen hat während am Center for Organic Photonics and Electronics Research (OPERA) der Kyushu University und setzte nach seiner Versetzung an die TUAT die weitere Untersuchung der molekularen Ausrichtung in amorphen Filmen fort.
„Andere Moleküle waren jedoch dafür bekannt, dass sie sich so ausrichten, dass mehr ihrer Elektronen auf einer Seite der Schicht platziert werden, was zu einem sogenannten Oberflächenpotential führt, das von einem elektrischen Feld begleitet wird. Dieses Feld kann helfen, Ladungen in oder aus einer Schicht zu bewegen Gerät, um es effizienter zu machen oder neue elektrische Eigenschaften freizusetzen, aber es war eine Herausforderung, Wege zu finden, um die Bildung des Feldes zu kontrollieren.“
Filme, die in der organischen Elektronik verwendet werden, sind normalerweise nur wenige Nanometer dick – ein Bruchteil der Dicke eines menschlichen Haares – und werden oft schrittweise aufgebaut, indem zuerst ein organisches Pulver im Vakuum erhitzt wird, sodass es direkt von einem Feststoff in ein Gas übergeht, a Vorgang, der als Sublimation bekannt ist. Wenn Moleküle des sublimierten Pulvers eine kühle Oberfläche erreichen, haften sie und bilden eine Schicht.
„In der Gasphase drehen sich die Moleküle zufällig und stoßen aneinander, sodass sie sich wahrscheinlich in einer zufälligen Richtung auf einem Film ablagern“, erklärt Morgan Auffray, der die Moleküle synthetisierte. „Wir haben jedoch festgestellt, dass sich bestimmte molekulare Einheiten mit Fluoratomen grundsätzlich von der Abscheidungsoberfläche abstoßen. Indem wir diese Einheiten in ein Molekül aufnehmen, können wir die abgeschiedenen Moleküle dazu bringen, sich grob auszurichten, wobei die fluorierten Einheiten nach außen zeigen.“
Die Forscher befestigten dann Teile, die negativ geladene Elektronen auf die fluorierte Einheit zu oder von ihr wegschieben oder ziehen. Dieses Ladungsungleichgewicht über die ausgerichteten Moleküle auf einer Oberfläche führt zum sogenannten Oberflächenpotential und einem daraus resultierenden elektrischen Feld.
„Da die abgeschiedenen Moleküle und die damit verbundenen elektrischen Felder in eine ähnliche Richtung zeigen, addieren sich die einzelnen winzigen Felder zu einem viel größeren Gesamtfeld“, sagt Tanaka. „Wir können nicht nur ein relativ größeres Feld bekommen, sondern auch auf die Oberfläche zeigen, was bisher selten berichtet wurde.“
Diese Schichten liefern ein riesiges Oberflächenpotential von fast 10 V, was besonders beeindruckend ist, wenn man bedenkt, dass es von einem nur 100 nm dicken Film spontan erzeugt wurde.
Eine so große Spannung über eine so geringe Dicke erzeugt ein starkes elektrisches Feld, das dazu beitragen kann, positive und negative Ladungen in die verschiedenen Schichten von Geräten wie OLEDs zu bringen, wodurch die Gesamtleistungsumwandlungseffizienz verbessert wird.
Darüber hinaus könnten diese gesteuerten, eingebauten elektrischen Strukturen bei der Realisierung neuer Geräte helfen. Die Forscher haben bereits gezeigt, dass die Schichten in einem neuen Gerätetyp verwendet werden könnten, der Vibrationen in Elektrizität umwandelt, aber es bleibt noch mehr Arbeit, um solche Geräte praxistauglich zu machen.
„Die Wissenschaft zeigt uns immer wieder neue Wege, elektrische Prozesse in immer kleinerem Maßstab zu kontrollieren, indem Atome in organischen Molekülen angeordnet werden“, sagt Chihaya Adachi, Direktorin von OPERA. „Diese Forschung bereichert unseren Werkzeugkasten, der neue Geräte möglich machen wird, während er weiter wächst.“
Die Studie wurde veröffentlicht in Naturmaterialien.
Masaki Tanaka et al, Spontane Bildung einer metastabilen Orientierung mit gut organisiertem permanentem Dipolmoment in organischen Glasfilmen, Naturmaterialien (2022). DOI: 10.1038/s41563-022-01265-7
Bereitgestellt von der Universität Kyushu