Physik Organischer Halbleiter:

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1 Physik Organischer Halbleiter: Opto- und Mikroelektronik, Photovoltaik, ensorik Vladimir Dyakonov Experimental Physics VI, Julius-Maximilians-University of Würzburg und Bayerisches Zentrum für Angewandte Energieforschung e.v. (ZAE Bayern) 19 Mai 2011

2 Inhalte Einführung und Motivation 1. Elektronische truktur: von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen 2. pezialbeispiel: Polyacethylen (Fortsetzung) 3. Ladungsträger in organischen Halbleiter 4. Optische Eigenschaften 5. Grundlagen des Ladungstransports 6. Metall-Halbleiter Kontakt, Injektion von Ladungsträger 7. Bauelementtechnologie 8. Leuchtdioden (OLED) 9. olarzellen (OZ) 10. Andere Anwendungen: Transistoren (OFET), organische Laser, ensoren 11. Zusammenfassung: Vergleich organischer und anorganischer Halbleiter 2

3 1. Elektronische truktur tight binding approximation 4t0= 10 ev 4t1= 1.4 ev u, chrieffer, Heeger, PRL 42,

4 1. Elektronische truktur Polyene Butadien Hexatrien 4

5 2. Polyacethylen olitonen als Quasiteilchen LUMO HOMO Charge / pin +q / 0 0 /? -q / 0 positiv neutral negativ 5

6 2. Polyacethylen Dotierung p-type doping z.b. Füllen von niedriger liegenden unbesetzten Orbitalen mit Elektronen Bindungslängenalternierung wird zunehmend aufgehoben, weil dadurch Energien von niedrig liegenden, unbesetzten Orbitalen abgesenkt werden können 6

7 2. Polyacethylen Dotierung reduziert (n-dotierung) oxidiert (p-dotierung) 2 Elektronen müssen transferiert werden! 7

8 2. Polyacethylen Mid-gap Zustand ca ev 1.5 ev Eg 1 Dotierungsatom pro 14 C-Atome ändert dramatisch das Absorptionsspektrum 8

9 2. Polyacethylen Zeitliche Entwicklung der Leitfähigkeit σ max (reported)= /cm 9

10 2. Polyacethylen entarteter Grundzustand (degenerate G) nicht-entarteter Grundzustand (non-degenerate G) 10

11 Inhalte Einführung und Motivation 1. Elektronische truktur: von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen 2. pezialbeispiel: Polyacethylen 3. Ladungsträger in organischen Halbleiter 4. Optische Eigenschaften 5. Grundlagen des Ladungstransports 6. Metall-Halbleiter Kontakt, Injektion von Ladungsträger 7. Bauelementtechnologie 8. Leuchtdioden (OLED) 9. olarzellen (OZ) 10. Andere Anwendungen: Transistoren (OFET), organische Laser, ensoren 11. Zusammenfassung: Vergleich organischer und anorganischer Halbleiter 11

12 Nicht-entartete ysteme - z.b. Polymere * n Polyparaphenylene * * + * n * Polyparaphenylene-vinylene n * * N n * * n * + * n * Polycarbazole Polythiophene * n * * N H N H N N * n Polyisothianaphthene Polyaniline 12

13 Nicht-entarteter Grundzustand Aromatic E * n * * n * Quinoid Aromatic Quinoid Zwei Resonanzstrukturen sind möglich: benzoide und chinoide beim Übergang vom B nach C molekulare truktur ändert sich Einzel- und Doppelbindungen sind nicht mehr austauschbar 13

14 Allgemeine Definition: Polaron im Festkörper Elektronen oder Defektelektronen setzen sich in der Gitterstruktur eines Festkörpers fest, indem sie durch die Verschiebung der Gitteratome Potentialwälle erzeugen Begriff self-trapping e e - e

15 Allgemeine Definition: Polaron im Festkörper grosses Polaron kleines Polaron 15

16 Allgemeine Definition: Polaron im Festkörper Ladungsträger in einem Gitter graben sich in eine Potentialmulde ein und verringern dabei ihre potentielle Energie Durch die Coulomb-Wechselwirkung verzerrt der Ladungsträger die umliegende Gitterstruktur Die Einheit aus Ladungsträger und umgebender Verzerrungsstruktur bezeichnet man als Polaron. 16

17 Das Polaron niedrige Energie hohe Energie Ein solches oliton ist instabil, daher Polaron 17

18 Das Polaron niedrige Energie hohe Energie LUMO hν HOMO 18

19 positive und negative Polaronen positives Positive polaron Polaron pin configuration Optical transitions 19

20 Polaronen negatives Negative polaron Polaron pin configuration Optical transitions 20

21 Exzitonen Exziton Exciton inglet exciton Triplet exciton =0, bzw. 1 21

22 Bipolaronen Positive bipolaron positives Bipolaron pin configuration Optical transitions negatives Negative bipolaron Bipolaron pin configuration Optical transitions =0 22

23 Zusammenfassung 23

24 Übersicht 24

25 Erzeugung von Ladungsträgern Chemische Dotierung (chemische Redox-Reaktionen ) Photodotierung Elektrische Injektion oliton-antisoliton Paar in PA 25

26 Zusammenfassung Polaronen/Bipolaronen Polaronen sind Quasiteilchen in denen eine elektrische Ladung an eine lokale Verzerrung des Molekülgerüstes (Gitter) gekoppelt ist Ein Polaron entsteht, wenn man dem neutralen Molekül ein Elektron entnimmt oder ihm eines entzieht. In diesem Fall entsteht eine negative, bzw. positive Nettoladung Beispiel: Oxidation eines halbleitenden Polymers durch Ioddampf: Polymer+ Klassifizierung: positive/negative Polaronen (P+/-) und Bipolaronen (BP +/-2) Polaronen stellen aufgrund der ungepaarten Ladung ein paramagnetisches Moment dar. Bipolaronen - diamagnetisch (=0) Polaronen führen zur Entstehung zweier neuer Niveau in der HOMO-LUMO Lücke Ihre Anwesenheit lässt sich durch die sogenannte Elektronenspinresonanz (ER) bzw. durch induzierte Absorption (PIA) feststellen 26

27 Inhalte das nächste Mal Einführung und Motivation 1. Elektronische truktur: von Atomorbitalen zu Molekülorbitalen 2. pezialbeispiel: Polyacethylen 3. Ladungsträger in organischen Halbleitern 4. Optische Eigenschaften 5. Grundlagen des Ladungstransports 6. Metall-Halbleiter Kontakt, Injektion von Ladungsträger 7. Bauelementtechnologie 8. Leuchtdioden (OLED) 9. olarzellen (OZ) 10. Andere Anwendungen: Transistoren (OFET), organische Laser, ensoren 11. Zusammenfassung: Vergleich organischer und anorganischer Halbleiter 27