Kombinierte experimentelle und theorie-basierte Optimierung von Korngrenzen in organischen Halbleitern

• Antragsteller: Professor Dr. Konstantin Amsharov; Professor Dr. Harald Oberhofer; Professor Dr. R. Thomas Weitz
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Organische Molekülchemie - Synthese, Charakterisierung ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 536757824

Organische Halbleitermaterialien (OSC) haben aufgrund vorteilhafter Eigenschaften (z.B. niedrige Energiekosten in der Herstellung, neuartige Materialeigenschaften, Wegfall seltener Erden) das Potential mehrere Industrien disruptiv zu transformieren. Dazu zählen z.B. der IT Sektor oder die Photovoltaik, wo OSC Materialien schon erste Anwendung finden. Das Design solcher Materialien, sowohl experimentell als auch theoretisch, war lange Zeit durch inkrementelle Veränderungen bekannter Materialien dominiert und erst seit kurzem werden moderne, datenbasierte Verfahren angewendet. Diese beschränkten sich auf die Untersuchung von ausgedehnten, idealisierten Materialien. Jedoch zeigen realistische Materialien immer Defekte, wie Grenzflächen zwischen den Körnern des Materials. Gerade für diese Korngrenzen(KG) konnte kürzlich gezeigt werden, dass sie gewisse Barrieren für den Ladungstransport darstellen und deshalb bei der Analyse von OSCs nicht vernachlässigt werden dürfen. In der hier vorgeschlagenen Arbeit werden wir daher eine kombinierte experimentelle und theoretische Methode zur Optimierung molekularer OSC Materialien entwickeln, bei der Korngrenzen explizit berücksichtigt werden. Auf Seiten der Theorie werden mittels einer Mischung aus Dichtefunktionaltheorie und darauf aufbauenden effektiven Modellen die energetischen Barrieren gegenüber Ladungstransport über Korngrenzen berechnet werden. Experimentell werden die Barrierenhöhen durch eine Kombination von Rasterkraftmikroskopie, Ladungstransport sowie Photostrom- und konventioneller Spektroskopie ermittelt. Während die Methoden der Rasterkraftmikroskopie und des Ladungsträgertransportes etabliert sind um Barrierenhöhen in organischen Filmen zu messen, sind sie nicht geeignet eine hohe Anzahl von Materialien zu untersuchen. Daher werden wir die Methode der Photostromspektroskopie etablieren die einen größeren Messdurchsatz verspricht. Die Methode wurde bisher vorwiegend für Quantentröge eingesetzt, und soll im Rahmen dieses Projektes auf die Korngrenzen transferiert werden. Anfänglich werden wir uns dabei auf einen reduzierten Designraum Perylen-artiger Moleküle anwenden, da diese tendenziell wohldefinierte dünne Filme bilden. Theoretische Berechnungen werden hierbei die atomistischen Details des Ladungstransports über Korngrenzen offenlegen und weiters etwaige Korrelationen zwischen den Energiebarrieren und intrinsischen Eigenschaften der Moleküle aufyeigen. Diese Rechnungen bilden dadurch die Basis für weitergehende Studien die über die anfänglichen Perylene hinausgehen. Dazu wird ein von einem von uns entwickelter maschinenlernender Ansatz adaptiert um Korngrenzen im Material zu berücksichtigen. Mit dieser Methode, welche auch auf experimentelle Daten ausgedehnt werden wird, können wir den molekularen Designraum hocheffizient durchsuchen um vielversprechende neue organische Moleküle für organische Halbleiter zu identifizieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen