Band Structure Engineering in Organic Semiconductors
Final Report Abstract
In Halbleiterbauelementen ist eine genaue Anpassung der Energieniveaus unerlässlich. Während für anorganische Halbleiter das sogenannte band structure engineering schon seit mehreren Jahrzehnten durch Halbleiterverbindungen aus verschiedenen Materialien erzielt wird, wurde erst vor wenigen Jahren gezeigt, dass sich dieser Ansatz auch für organische Halbleiter anwenden lässt. Dabei wurde bewiesen, dass die Energieniveaus durch elektrostatische Coulomb-Wechselwirkungen kontinuierlich parallel verschoben werden können, indem ähnliche Moleküle mit unterschiedlichen Ladungsverteilungen gemischt werden. In diesem Projekt wurden die grundlegenden Prozesse des band structure engineerings in organischen Materialsystemen tiefer untersucht, wobei insbesondere auf den Zusammenhang zwischen Moleküleigenschaften, Filmeigenschaften und Eigenschaften ganzer Bauteile eingegangen wurde. Im ersten Teil wurde gezeigt, dass die Energieniveaus über einen größeren Energiebereich verschoben werden konnten als bisher angenommen und dass die Verschiebung der Niveaus direkten Einfluss auf den Ladungstransport in organischen Feldeffekt-Transistoren (OFETs) hat. Im zweiten Teil wurde untersucht, ob es nicht nur möglich ist, die Energieniveaus in die gleiche Richtung, sondern auch entgegengesetzt zu verschieben und dadurch die Energielücke anzupassen. Dabei konnte mit Simulationen der zugrundeliegende Mechanismus erklärt und mittels Untersuchungen der Struktur der Mischschichten die Wichtigkeit der Durchmischung für den Effekt des band structure engineerings aufgezeigt werden. Die stufenlose Anpassung der Energielücke ohne aufwändige Synthese neuer Moleküle könnte in Zukunft die Feinabstimmung von Leerlaufspannungen in organischen Solarzellen oder Emissionswellenlängen in organische Leuchtdioden (Organic light emitting diodes, OLEDs) oder die Kontrolle der Injektionseigenschaften von Kontakten ermöglichen.
Publications
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Energy Level Engineering in Organic Thin Films by Tailored Halogenation. Advanced Functional Materials, 2002987 (2020)
K. Ortstein, S. Hutsch, A. Hinderhofer, J. Vahland, M. Schwarze, S. Schellhammer, M. Hodas, T. Geiger, H. Kleemann, F. Schreiber, H. Bettinger, F. Ortmann, and K. Leo
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Band gap engineering in blended organic semiconductor films based on dielectric interactions. Nature Materials, 20, 1407 (2021)
K. Ortstein, S. Hutsch, M. Hambsch, K. Tvingstedt, B.Wegner, J. Benduhn, J. Kublitski, M. Schwarze, S. Schellhammer, F. Talnack, A. Vogt, P. Bäuerle, N. Koch, S. C. B. Mannsfeld, H. Kleemann, F. Ortmann, and K. Leo
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Dimers or Solid-State Solvation? Intermolecular Effects of Multiple Donor–Acceptor Thermally Activated Delayed Fluorescence Emitter Determining Organic Light-Emitting Diode Performance. Advanced Optical Materials, 2002153, 9(14), (2021)
P. Imbrasas, R. Lygaitis, P. Kleine, R. Scholz, C. Hänisch, S. Buchholtz, K. Ortstein, F. Talnack, S. C. B. Mannsfeld, S. Lenk, S. Reineke
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Investigations on Energy Level Engineering in Organic Semiconductors. Dissertation, TU Dresden (2021)
K. Ortstein
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Modulation doping for threshold voltage control in organic field-effect transistors. ACS Appl. Mater. Interfaces, 8671, 13, (2021)
I. A. Lashkov, K. Krechan, K. Ortstein, F. Talnack, S.-J. Wang, S. C. B. Mannsfeld, H. Kleemann, and K. Leo
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Multimode Operation of Organic–Inorganic Hybrid Thin-Film Transistors Based on Solution-Processed Indium Oxide Films. ACS Appl. Mater. Interfaces, 13, 36, 43051–43062 (2021)
T. Tang, J. Zessin, F. Talnack, K. Haase, K. Ortstein, B. Li, M. Löffler, B. Rellinghaus, M. Hambsch, and S. C. B. Mannsfeld
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New charge-transfer excitation in blends of ZnPC and F8ZnPC. AIP Advances 11, 025230 (2021)
L. Graf, K. Ortstein, L. P. Doctor, M. Naumann, J. Beyer, J. Heitmann, K. Leo, and M. Knupfer
