Elektronen and Spin Transport in Weicher Kondensierter Materie: Von Grundlegenden Eigenschaften zu Anwendungen

• Antragsteller: Professor Dr. Frank Ortmann
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 243752782

Die Zielstellung des Projektes ist es, die Forschung im Bereich der Elektronik und Spintronik in organischen Halbleitern voranzubringen. Wir möchten mit unseren Beiträgen sowohl elementare Einsichten in grundlegende Mechanismen des Ladungs- und Spintransports geben, wobei wir die Fragestellungen an anwendungsrelevanten Systemen unter Berücksichtigung ihrer ab initio Materialparameter studieren. Ein Schwerpunkt des Projektes ist die Simulation von Ladungstransport-Prozessen in dotierten organischen Halbleitern, die aufgrund ihrer Funktionalität in organischen LEDs oder organischen Solarzellen eingesetzt werden. Durch die Verwendung hocheffizienter Simulationsmethoden können wir den mikroskopischen Einfluss der Dotiermoleküle innerhalb der organischen Matrix auf den makroskopischen Ladungstransport ermitteln und anhand dieser Untersuchungen Verbesserungsvorschläge unterbreiten. Dies wird dadurch erreicht, dass die quantenmechanische Beschreibung der Materialien auf ab initio Niveau geschieht und in den verwendeten Multiskalen-Ansatz eingeht. Die Verbindung von Transport-Modellierung und ab initio Materialparameter wird tiefere Einblicke gewähren und hat das Potential neue physikalische Sachverhalte aufzudecken und den Experimentatoren wertvolle Rückkopplung zu geben.In der ersten Phase des Emmy Noether-Projektes haben wir die mikroskopischen elektronischen Eigenschaften von solchen Dotiersystemen mit ab initio Methoden untersucht. Die dabei entwickelten Modelle beschreiben mit hoher Genauigkeit die energetischen Eigenschaften der dotierten Schichten und sollen nun im weiteren Verlauf des Projektes für die Ladungstransport-Simulationen verfeinert und angewendet werden.Spinabhängige Transportphänomene sind ein weiterer Gegenstand des Projektes deren Erforschung wir in organischen Bauelementen erfolgreich durchgeführt haben. Dabei konnten wir nicht nur Transistoren basierend auf heißen Elektronen beschreiben, sondern auch Spinströme untersuchen. Wir haben auch sogenannte reine Spinströme vorhergesagt.Ein letzter Schwerpunkt innerhalb des Projekts adressiert fundamentalen Fragestellungen von Elektronen und Löchern in organischen Halbleitern. Die Ladungsträgerlokalisierung wurde anhand der Polaronrelaxierung untersucht wurde. Dieses Phänomen beschreibt die geometrische Verzerrung der molekularen Strukturen bei Aufladung und das damit verbundene Einfangen der Ladungsträger. Hierbei wurde das Konzept der reduzierten Relaxierungsenergie eingeführt. Diese Größe gibt Auskunft über den detaillierten Einfluss von molekularen Schwingungen auf die resultierenden elektronischen Eigenschaften. Die Bedeutung dieses neuen Konzepts für den Ladungstransport ist noch ungeklärt und soll im weiteren Projekt untersucht werden. Ein weiterer Schwerpunkt für den Antragszeitraum werden Hall-Transport-Simulationen sein, für die bereits bedeutende Vorarbeiten gemacht wurden und die das Projekt in seinem Spektrum abrunden.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen