Mit Polymorphismus zu organischen Hochleistungsbauelementen

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Mannsfeld; Professor Dr. Frank Ortmann
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Chemie: Moleküle, Materialien, Oberflächen
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 368686449

Jüngste Fortschritte bei der Abscheidung von dünnen Filmen organischer Halbleiter haben gezeigt, dass Nichtgleichgewichts-Polymorphe in elektronischen Bauelementen verwendet werden können, die drastisch verbesserte elektrischen Eigenschaften aufweisen. Dies verdeutlicht die Bedeutung der Kontrolle von Polymorphismus bei der Maximierung der Leistung von solchen Bauelementen. Jedoch ist es bisher nicht möglich vorherzusagen, für welche Materialien man Polymorphismus erwarten kann und wie deren tatsächliche elektrische Leistungsdaten sind. Infolge werden viele Materialien, sowohl bereits existierende als auch noch zu synthetisierende, sehr wahrscheinlich als performanceschwach verworfen, einfach weil sie nicht so verarbeitet werden, dass sie zu den (unbekannten) high-performance Polymorphen führen.Um dieser Situation abzuhelfen planen wir, in diesem Projekt eine Methode für die theoretische Vorhersage von polymorphen Phasen in organischen Halbleitern basierend auf kleinen Molekülen zu entwickeln. Die Vorhersage umfasst insbesondere auch eine Klassifizierung ihrer elektrischen Eigenschaften. In einem komplementären Ansatz werden wir kleine lösliche Moleküle in polymorphen Formen durch ein spezielles Druckverfahren stabilisieren und analysieren um für die Theorie eine größere Grundlage und nötige experimentelle Referenzen für ihre Kalibrierung zu schaffen. Eine Vielzahl von experimentellen Methoden zur präzisen Bestimmung der molekularen Packung in den gedruckten dünnen Filmen wird hierbei einen wichtigen Beitrag und Input für die Theorie liefern.Durch die Berücksichtigung alternativer Strukturen, über den mit Standardabscheidemethoden zugänglichen Gleichgewichtspolymorph hinaus, kann mit dem gewählten Ansatz einen Zusammenhang zwischen Molekülstruktur und elektrischen Eigenschaften hergestellt und eine Vielzahl von Polymorphen mit höchsten Ladungsträger-Mobilitäten vorhergesagt werden, welche die Mobilitäten der Standardstrukturen bis um einige Größenordnungen übertreffen können.Im experimentellen Teil des Projektes werden die theoretischen Vorhersagen getestet, insbesondere für die Strukturen für die eine große technologische Relevanz vorliegt (hohe Ladungsträgermobilität). Die durch moderne Abscheideverfahren mögliche Variation von Prozessparametern ermöglicht die Stabilisierung verschiedener Polymorphe, die durch eine Vielzahl experimenteller Methoden charakterisiert und mit der Theorie verglichen werden.Die hier vorgeschlagene theoretische Methode wird auf Grund von Daten einiger ausgewählter molekularer Strukturen entwickelt, ist jedoch nicht darauf beschränkt sondern weitreichend anwendbar. Sie kann daher als strategisches Werkzeug zur Entdeckung einer großen Anzahl von organischen Halbleitermaterialien führen, die sonst unentdeckt blieben. Dies könnte zu wesentlichen Veränderungen und Beschleunigung der Materialforschung vom Design und der Synthese von Molekülen bis zur Realisierung im Bauelement führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen