Att justera energigapet genom att blanda olika halvledande molekyler för att optimera enhetens prestanda är redan en etablerad procedur för oorganiska halvledare, men det är fortfarande en utmaning för deras ekologiska motsvarigheter. Nu, forskare från TU Dresden, i samarbete med forskare vid TU München, samt universitetet i Würzburg, HU Berlin, och Ulm University har visat hur man når detta mål.

Organiska halvledare har fått ett rykte som energieffektiva material i organiska lysdioder (OLED) som används i skärmar med stora ytor. I dessa och i andra applikationer, som solceller, en nyckelparameter är energigapet mellan elektroniska tillstånd. Den bestämmer våglängden på ljuset som sänds ut eller absorberas. Den kontinuerliga justerbarheten av denna energigap är önskvärd. Verkligen, för oorganiska material finns redan en lämplig metod - den så kallade blandningen. Det är baserat på att konstruera bandgapet genom att ersätta atomer i materialet. Detta möjliggör en kontinuerlig inställning som, till exempel, i aluminium galliumarsenid-halvledare. Tyvärr, detta är inte överförbart till organiska halvledare på grund av deras olika fysiska egenskaper och deras molekylbaserade konstruktionsparadigm, vilket gör kontinuerlig justering av bandgap mycket svårare.

Dock, med sina senaste publikationsforskare vid Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden) och vid Cluster of Excellence "e-conversion" vid TU München tillsammans med partners från University of Würzburg, HU Berlin, och Ulm University har, för första gången, realiserat energigap-teknik för organiska halvledare genom blandning.

För oorganiska halvledare, energinivåerna kan förskjutas mot varandra genom atomära substitutioner, vilket minskar bandgapet ('band-gap engineering'). I kontrast, Modifieringar av bandstrukturen genom att blanda organiska material kan bara flytta energinivåerna samordnat antingen upp eller ner. Detta beror på de starka Coulomb-effekterna som kan utnyttjas i organiska material, men detta har ingen effekt på gapet. "Det skulle vara mycket intressant att också ändra klyftan mellan organiska material genom att blanda, för att undvika den långa syntesen av nya molekyler", säger prof. Karl Leo från TU Dresden.

Forskarna hittade ett okonventionellt sätt att blanda materialet med blandningar av liknande molekyler som är olika i storlek. "Nyckelfynden är att alla molekyler ordnar sig i specifika mönster som tillåts av deras molekylära form och storlek", förklarar Frank Ortmann, professor vid TU München och gruppledare vid Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden). "Detta inducerar den önskade förändringen i materialets dielektriska konstant och gapenergi."

Ortmanns grupp kunde klargöra mekanismen genom att simulera strukturerna hos de blandade filmerna och deras elektroniska och dielektriska egenskaper. En motsvarande förändring i den molekylära packningen beroende på formen på de blandade molekylerna bekräftades genom röntgenspridningsmätningar, utförd av Organic Devices Group av Prof. Stefan Mannsfeld vid cfaed. Det centrala experimentella och apparatarbetet gjordes av Katrin Ortstein och hennes kollegor i gruppen av Prof. Karl Leo, TU Dresden.

Resultaten av denna studie har just publicerats i den välrenommerade tidskriften Naturmaterial . Även om detta bevisar genomförbarheten av denna typ av teknikstrategi på energinivå, dess sysselsättning kommer att undersökas för optoelektroniska enheter i framtiden.