Optische Spektroskopie an ultradünnen organischen Molekülschichten: neutrale Moleküle und Molekülionen auf anorganischen Substraten
Final Report Abstract
In diesem Projekt ist es uns gelungen, zweidimensionale Molekülschichten bestehend aus nur einer einzigen Lage auf Metalleinkristall-Substraten abzuscheiden und anschließend mit Kaliumatomen zu versetzen, so dass sich nahezu perfekt geordnete, ausgedehnte Domänen bildeten. Dabei haben wir durch Anwendung der wasserstoffmodifizierten Rastertunnelmikroskopie (STHM) kombiniert mit niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) sowie durch den Vergleich zu Rechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) die Lagebeziehungen zwischen Molekülen und Kalium für verschiedene Mischungsverhältnisse präzise bestimmt. Neben der Ausbildung neuartiger Strukturen führte das Einbringen von Kalium in die organischen Schichten auch zur gewünschten Ausbildung von einfach und mehrfach geladenen Molekülionen, also zum Ladungsübergang. Dieser Dotiereffekt hat drastische Auswirkungen auf die optischen und elektronischen Eigenschaften des organischen Materials. Mittels optischer differentieller Reflexionsspektroskopie (DRS), die in Echtzeit während des Filmwachstums und des anschließenden Dotierens eingesetzt wurde, konnten wir die jeweiligen Ladungszustände anhand von charakteristischen Absorptionsbanden zuordnen. Weiterhin haben wir dünne Molekülschichten auf leitfähigen Oxid-Oberflächen (ZnO) aufgebracht und ebenfalls mittels DRS spektroskopiert. Dabei kam es ohne Dotierung zu einem spontanen Ladungsübergang. Die optischen Daten belegten eindeutig die Ausbildung von molekularen Anionen, und auch deren Anteil in der gesamten organischen Schicht konnte abgeschätzt werden. Zum Vergleich wurden Photoelektronenspektroskopie (PES) Experimente und DFT Rechnungen unserer Kooperationspartner herangezogen. Diese untermauern durch den raschen Anstieg der Austrittsarbeit und die Ausbildung eines Grenzflächenzustands die Beobachtung des Ladungsübergangs und tragen gemeinsam mit den DRS Experimenten zur Aufklärung des Effektes bei: Es bilden sich Molekül–Substrat-Hybridzustände aus, wobei es zum Ladungstransfer vom Substrat zu ursprünglich unbesetzten Zuständen des Moleküls aber auch teilweise zum Rücktransfer aus tieferliegenden besetzten Molekülzuständen zum Substrat kommt. Im Endergebnis liegen ein Nettotransfer von einer Elementarladung sowie eine anscheinend schwache Hybridisierung vor; letztere wird allerdings durch eine starke Hybridisierung und einen anschließenden Ladungsrücktransfer vorgetäuscht. Das hier gewonnene tiefgehende Verständnis des Dotierprozesses auf molekularer Ebene kann die Entwicklung kommerzieller organischer Bauelemente befruchten. Insbesondere Substrat–Adsorbat-Ladungstransfers, Austrittsarbeitsänderungen sowie die Ausbildung von Grenzflächenzuständen sind Effekte, welche in der Herstellung optoelektronischer Bauelemente besondere Beachtung finden sollten. Im Laufe der Experimente zeichnete sich ab, dass einzelne Spektroskopiemethoden häufig nur unzureichende Informationen liefern und anfällig für Fehlinterpretationen sein können, so dass DRS und PES komplementär eingesetzt wurden. Als besonders gewinnbringend stellte sich die Einbeziehung von DFT Rechnungen heraus, wobei allerdings die meist nicht-kommensurablen Epitaxierelationen Vereinfachungen erforderten. Daher haben wir uns auf Alkalimetall-Dotanden beschränkt und nicht, wie ursprünglich vorgesehen, auch molekulare Dotanden eingesetzt. Über eine aus diesem Projekt hervorgegangene Arbeit wurde eine Pressemitteilung veröffentlicht (https://idw-online.de/de/news656415).
Publications
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