Verhalten von Elektronen an Werkstoffschnittstellen
Organisch basierte Geräte wie lichtemittierende Displays, Solarzellen sowie biologische und chemische Sensoren gründen auf der geschichteten Ablagerung verschiedener Werkstoffe. Daher ist es wichtig, die Schnittstellen zwischen den verschiedenen Metallen, Oxiden und isolierenden oder halbleitenden Werkstoffen zu charakterisieren, die hierbei verwendet werden. Obwohl umfassende Arbeiten zu einem tieferen Verständnis der Morphologie derartiger Werkstoffe und Schnittstellen geführt hat, war eine ausführliche Charakterisierung relevanter elektrischer Vorgänge notwendig, um das Bild zu vervollständigen. Das EU-finanzierte Projekt "Modelling of electronic processes at interfaces in organic-based electronic devices" (MINOTOR) erzielte ausgezeichnete Fortschritte beim Füllen dieser Lücke. Wissenschaftler konzentrierten sich zeitgleich auf metallische/organische Schnittstellen (M/O), organische/organische Schnittstellen (O/O) und anorganische/organische Schnittstellen (A/O). MINOTOR nutzte Ansätze der Diskreten Fourier-Transformation (DFT) auf Basis von Dichtefunktionen, die die Elektronendichte von Vielelektronensystemen mathematisch beschreiben. Wissenschaftler wandten diese Methoden an, um die sogenannte Austrittsarbeit, die im Zusammenhang mit der Entfernung eines Elektrons von einer Oberfläche steht, sowie das Pinning der Fermi-Energie (FLP; engl. Fermi level pinning) zu bemessen, die eben dies vermeidet. Mit Standardansätzen der DFT wurden M/O-Schnittstellen mit starker Haftung zwischen den Molekülen und der Oberfläche beschrieben. Wissenschaftler zeigten, dass die Oberflächenelektroneneigenschaften metallischer Elektroden durch Änderungen an jenen Molekülen kompliziert abgeglichen werden können, die selbstassemblierende Monoschichten (SAM) bilden und die Elektroden umgeben. Bei schwacher Haftung, wie bei einem Metall mit einer dünnen Schicht aus nativem Oxid, konnten durch DFT zuverlässig FLP-Effekte erreicht werden. Weitreichend korrigierte DFT-Funktionale wurden zur Beschreibung der Ladungsverteilung bei O/O-Schnittstellen mit teilweisem Ladungsübergang zwischen den ladungsabgebenden und ladungsaufnehmenden Einheiten empfohlen. Mikroelektrostatische (ME) Modelle wurden jedoch der DFT für O/O-Systeme bevorzugt, die von Polarisierungseffekten betroffen sind. Bei A/O-Schnittstellen zeigten Forscher die Abstimmung der Austrittsfunktion von Oxidschichten durch SAM-bildende Moleküle. DFT-Methoden mit fester Bindung sind notwendig, um die Verteilungen der Elektronendichte an den Schnittstellen simultan zu beschreiben. Zahlreiche Geräte wie Spintronik-Geräte und Solarzellen wurden erzeugt, um die Theorie mit der Praxis zu verbinden. Sie zeigten die Fähigkeit von SAM, die Eigenschaften von Schnittstellen und die Rolle der Schnittstellenmorphologie bei der Geräteleistung abstimmen zu können. Durch das von MINOTOR gebotene, tiefere Verständnis über elektrische Vorgänge an allen Schnittstellen können Forscher künftig leistungsstarke Produkte entwickeln.
