Digital gedruckte molekular orientierte organische Halbleiter für optoelektronische Bauelemente

• Antragsteller: Professor Dr. Gerardo Hernández-Sosa
• Fachliche Zuordnung: Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 419864370

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Das übergeordnete Ziel des Projekts war die Kontrolle der molekularen Orientierung von in Lösung verarbeitbaren organischen Halbleitern (OSCs), die Charakterisierung der abgeschiedenen Filme und die Herstellung von optoelektronischen Bauteilen. Wir untersuchten die Selbstorganisation von dünnen Filmen aus organischen Halbleitern durch die Verwendung eines kristallisierbaren Additivs in der Tintenformulierung, das während des Trocknungsprozesses in einem Tintenstrahl- oder Beschichtungsprozess als Vorlage dient. Wir wählten 1,3,5-Trichlorbenzol (TCB) als das am besten geeignete kristallisierbare Additiv aus, da es aufgrund seiner Eigenschaften am besten mit den verwendeten Abscheidungsprozessen kompatibel ist. Diese Auswahl erfolgte durch die Untersuchung von isolierenden Referenzpolymersystemen mit definierten Molekülstrukturen. Für die halbleitenden Polymere PIF-PTAA wurde der Orientierungsgrad als Funktion der Inkjet- Druckparameter analysiert. Aufgrund seiner komplexen Molekularstruktur bildet PIF-PTAA in der Regel amorphe Filme. Die Ergebnisse zeigten, dass TCB im Rückgrat des Polymers organisierte Ausrichtung bewirkt, die Ausrichtung des Films jedoch stark von den Verarbeitungsbedingungen abhängt. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Parameterraum des Tintenstrahldrucks (d. h. Viskositätsfenster, Oberflächenspannung) sowie die Komplexität der Molekularstrukturen von OSCs die Aufstellung allgemeiner Regeln für die prossezierung mit Tintenstrahldruck erschweren. Daher untersuchten wir forthin gerichtete Beschichtungsprozesse. Wir konzentrierten uns auf Polymer:Polymer- und Polymer:Small Molecule-Mischungen, die kompatible elektronische Eigenschaften aufweisen, um einen Bulk-Heteroübergang zu bilden. Nach der Optimierung der Beschichtung haben wir polarisationsempfindliche organische Photodetektoren (pOPDs) demonstriert, bei denen die Polarisationsdetektion durch die anisotrope Absorption der molekular orientierten Filme bestimmt wird. Wir demonstrierten pOPDs aus Polymeren wie P3HT und N2200 und kleinen Molekülen wie IDTBR, die für viele optoelektronische Anwendungen relevant sind. Diese Bauteilen wurden durch ein neuartiges gasunterstütztes Beschichtungsverfahren ermöglicht, bei dem der Gasfluss zur Verbesserung der molekularen Ausrichtung verwendet wird, indem er die Trocknungsfront leitet. Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass sowohl der Tintenstrahldruck als auch die gasunterstützte Trocknung vielversprechende Verfahren zur Steuerung der molekularen Ausrichtung von OSC-Filmen sind. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass wir das Hauptziel des Projekts erreicht haben, indem wir gezeigt haben, dass die molekulare Ausrichtung zur Herstellung von OPDs genutzt werden kann. Diese Geräte benötigen keinen zusätzlichen Filter, um linear polarisiertes Licht zu erkennen, was den Herstellungsprozess zukünftiger optischer Systeme vereinfachen könnte.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Materials Research Society Fall Meeting, (2020 Boston, USA), Oral Presentation Online, “Ink Engineering for Color–Selective Printed Organic Photodiodes and Filterless Multichannel Visible Light Communication”
  Gerardo Hernandez-Sosa
  
• Anisotropic optical behavior of an amorphous organic polymer locally aligned by inkjet-printing. Progress in Organic Coatings, 154, 106184.
  Lindberg, Frida W.; Synnatschke, Kevin; Rödlmeier, Tobias; Brenner, Philipp; Krings, Maximilian; Dietl, Martin C.; Lemmer, Uli; Backes, Claudia & Hernandez-Sosa, Gerardo
  
• “Uniaxially-ordered macromolecular systems for polarized photodetectors”, KIT-Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Submitted (15.03.2021)
  Hadhemi Mejri
  
• Gas-assisted blade-coating of organic semiconductors: molecular assembly, device fabrication and complex thin-film structuring. Nanoscale, 14(47), 17743-17753.
  Mejri, Hadhemi; Haidisch, Anika; Krebsbach, Peter; Seiberlich, Mervin; Hernandez-Sosa, Gerardo & Perevedentsev, Aleksandr
  
• Materials Research Society Spring Meeting (2022 Hawaii, USA), Oral Presentation ”Polarized photodetectors based on oriented organic semiconductors: Fabrication, dark-current suppression and applications”
  Online Aleksandr Perevedentsev
  
• Materials Research Society Spring Meeting (2022 Hawaii, USA), Poster Presentation ”Aerosol-Jet Printed Blocking Layers and Stretchable Platforms for Organic Photodiode Applications ”
  Mervin Seiberlich
  
• Polarization‐Sensitive Photodetectors Based on Directionally Oriented Organic Bulk‐Heterojunctions. Advanced Optical Materials, 10(7).
  Perevedentsev, Aleksandr; Mejri, Hadhemi; Ruiz‐Preciado, Luis A.; Marszalek, Tomasz; Lemmer, Uli; Blom, Paul W. M. & Hernandez‐Sosa, Gerardo