Der Forschungsbericht erschien in «Nature Materials» und beschreibt organische Halbleiter, eine Materialklasse, die sich besonders gut für Anwendungen in den Bereichen flexible Elektronik, Solarenergieumsetzung und qualitativ hochstehende Displays eignet. Kurzfristig sollten diese Materialien in organischen LEDs vorkommen, die mit hoher Energie arbeiten und farbiges Licht, wie Grün und Blau, abstrahlen.
«Organische Halbleiter sind ein ideales Material für die Herstellung von mechanisch flexiblen Komponenten mit energiesparenden Temperaturprozessen,» sagte Doktorand Xin Lin vom Princeton-Forschungsteam. «Aber einer der bedeutenden Nachteile ist deren relativ geringe elektrische Leitfähigkeit. In einigen Applikationen kann das zu Schwierigkeiten führen. Aber wir arbeiten an der Verbesserung der elektrischen Eigenschaften dieser organischen Halbleiter.»
Dotiermittel ist ein Reduktionsmittel
Wichtig für die Funktion von Siliziumhalbleitern ist der Dotierungsprozess, mit dem sich die Elektronikstruktur und das elektrische Verhalten eines Halbleiters optimieren lassen. In ihrem Forschungsbericht beschreiben die Forscher, wie sie die Leitfähigkeit organischer Halbleiter erheblich verbessern, die aus Kohlenstoff basierenden Molekülen und nicht aus Siliziumatomen bestehen.
Das Dotiermittel, eine Ruthenium enthaltende Materialverbindung, ist ein sogenanntes Reduktionsmittel. Das bedeutet, dass es dem organischen Halbleiter im Rahmen des Dotierungsprozesses Elektronen hinzufügt. Der Zusatz an Elektronen ist der Schlüssel für die Erhöhung der Leitfähigkeit des Halbleiters. Die Materialverbindung gehört zu einer neuen Klasse von Dotiersubstanzen, die als dimärische organometallische Dotiermittel bezeichnet werden. Im Gegensatz zu anderen leistungsfähigen Reduktionsmitteln sind diese Dotiermittel bei Luftkontakt stabil und arbeiten als starke Elektronenspender sowohl in Lösungen als auch Feststoffen.
Das Rutheniumdimer soll mit dem Halbleiter reagieren
Die Rutheniumverbindung ist ein Dimer. Das bedeutet, dass es aus zwei identischen Molekülen oder Monomere besteht, die chemisch verbunden sind. Diese Verbindung ist relativ stabil. Und wenn diese Verbindung den schwierig zu dotierenden Halbleitern hinzugefügt wird, reagiert sie nicht und verbleibt in einem ausgewogenen Zustand. Das ist ein Problem. Denn um die Leitfähigkeit des organischen Halbleiters zu erhöhen, muss das Rutheniumdimer mit dem Halbleiter reagieren und sich dann auftrennen.
Zwei der Forscher suchten nach einem Weg, das Rutheniumdimer zu spalten und das Dotieren zu aktivieren. Man fand interessante Hinweise auf die Funktion von fotosynthetischen Systemen. Sie bestrahlten ihr System mit UV-Licht, das die Moleküle im Halbleiter anregte und die Reaktion in Gang setzte. Durch das Licht konnten die Dimere den Halbleiter dotieren, was zu einer 100 000-fachen Erhöhung der Leitfähigkeit führte. Danach machten die Forscher eine interessante Entdeckung: Nach dem Ausschalten des Lichtes erwartete man, dass eine Umkehrreaktion einsetzt und die erhöhte Leitfähigkeit verschwindet. Das war aber nicht der Fall.
Es stellte sich heraus, dass die Rutheniummonomere isoliert im Halbleiter verbleiben und damit die Leitfähigkeit erhöhen, auch wenn die Thermodynamik die Moleküle eigentlich wieder in ihre ursprüngliche Konfiguration als Dimer zurückführen müsste.
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