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Polymer transistors are being intensively developed for next-generation flexible electronics. Blends comprising a small amount of semiconducting polymer mixed into an insulating polymer matrix have simultaneously shown superior performance and environmental stability in organic field-effect transistors compared with the neat semiconductor. Here a group of scientists including Norbert Koch, member of IRIS Adlershof, shows that such blends actually perform very poorly in the undoped state, and that mobility and on/off ratio are improved dramatically upon moderate doping. Structural investigations show that these blend layers feature nanometre-scale semiconductor domains and a vertical composition gradient. This particular morphology enables a quasi three-dimensional spatial distribution of semiconductor pathways within the insulating matrix, in which charge accumulation and depletion via a gate bias is substantially different from neat semiconductor, and where high on-current and low off-current are simultaneously realized in the stable doped state. Adding only 5 wt% of a semiconducting polymer to a polystyrene matrix, we realized an environmentally stable inverter with gain up to 60.

This new approach promotes the OFET performance while providing a simple fabrication process. With this guidance, highly transparent transistors with field-effect mobilities comparable to that of amorphous silicon, combined with environmental stability and mechanical robustness, might become feasible.

The effect of doping on the transistor performance of P3HT/PS blends and neat P3HT. In-situ evolution of the transfer characteristics (V_ds= -5V, linear regime) on exposure time in ‘dilute air’ (N₂ atmosphere with O₂ concentration ~1 ppm and H₂O ~1 ppm). P3HT/PS (5% P3HT)

Moderate doping leads to high performance of semiconductor/insulator polymer blend transistors
G. Lu, et. al.
Nature Communicatios 4 (2013) 1588
DOI: 10.1038/ncomms2587

Einem Team aus Forschern um Prof. Oliver Benson, Mitglied von IRIS Adlershof, ist es gelungen, mit einem sehr einfachen Verfahren stabile Quellen für einzelne Lichtquanten herzustellen. Bei der in dieser Woche in der Open Access Fachzeitschrift Scientific Reports der Nature Publishing Group veröffentlichten Arbeit wählten die Forscher einen ungewöhnlichen Hybridansatz durch Kombination von zwei ganz verschiedenen Materialien.
Zum einen waren dies kleinste Diamantsplitter. Diamant enthält neben Kohlenstoff auch andere Atome als natürliche Verunreinigungen. Diese Fremdatome sind als so genannte Farbzentren für die gelbliche oder bläuliche Färbung natürlicher Diamanten verantwortlich. Wegen ihrer geringen Größe von nur einigen wenigen Millionstel Millimetern enthielten die Diamantsplitter bisweilen nur jeweils ein einzelnes Farbzentrum, das dann gezielt mit Hilfe von Laserlicht angeregt werden konnte. Das Farbzentrum gibt die Anregungsenergie dann durch Emission von einzelnen Lichtquanten, oder Photonen, wieder ab.
Die Forscher vermischten nun die Diamantsplitter mit einem speziellen Photolack.

Durch Bestrahlung der Lackschicht mit einem fokussierten Laserstrahl konnte der Lack lokal polymerisiert d.h. in Plastik umgewandelt werden. Auf diese Weise können nahezu beliebige dreidimensionale Strukturen geschrieben werden, die dann einzelne Diamamtsplitter mit einzelnen Farbzentren als Quantenlichtquellen enthalten. Das Team konzentrierte sich zunächst auf optische Wellenleiter und Resonatoren, mit denen dann die von den Farbzentren abgegebenen Photonen mit hoher Effizienz eingesammelt und weitergeleitet wurden.
Ein großer Vorteil des neuen hybriden Materialsystems ist zum einen die gut etablierte und sehr preiswerte Herstellungsmethode und zum anderen die unbegrenzte Stabilität der Photonenemission auch bei Zimmertemperatur. Die Forscher arbeiten nun daran, die neuen Strukturen mit anderen optischen Instrumenten zu kombinieren. Auf diese Weise ließen sich zahlreiche Anwendungen im Bereich der hochauflösenden Mikroskopie, der optischen Sensorik oder auch der Quanteninformationsverarbeitung verlässlich und kostengünstig realisieren.

"Organische Elektronik" steckt schon heute im Display von Smart-Phones und verspricht auch in Zukunft interessante Produkte, zum Beispiel biegsame Leuchtfolien, die Glühbirnen ersetzen sollen, oder Solarzellen, die Sonnenlicht in Strom umwandeln. Ein Problem besteht dabei stets darin, die aktive organische Schicht gut mit Metallkontakten zu verbinden. Auch für diese Aufgabe werden oft organische Moleküle eingesetzt. Allerdings war es bisher nicht möglich, genau vorherzusagen, welche Moleküle diese Aufgabe auch erfüllen. Sie mussten daher im Wesentlichen durch Ausprobieren identifiziert werden. Nun ein hat internationales Team von Wissenschaftlern um Dr. Georg Heimel und Prof. Dr. Norbert Koch (IRIS Adlershof) vom HZB und der Humboldt-Universität zu Berlin herausgefunden, was diese Moleküle miteinander gemeinsam haben. Ihre Ergebnisse könnten es ermöglichen, die Kontaktschichten zwischen Metallelektroden und aktivem Material in organischen Bauelementen gezielter zu verbessern.


Über ihre „Sauerstoff-Ausleger“ nehmen die untersuchten organischen Verbindungen Kontakt zu den Atomen der Metalloberfläche auf. Dadurch verändern sich ihre elektronischen Eigenschaften.
Bild: Georg Heimel/HU Berlin

„Wir arbeiten seit mehreren Jahren an dieser Fragestellung und konnten nun mit einer Kombination unterschiedlicher Mess- methoden und theoretischer Berechnungen ein schlüssiges Bild erhalten“ sagt Georg Heimel. Dabei haben die Forscher systematisch Moleküle untersucht, deren Rückgrat aus einer Reihe von aromatischen Kohlenstoffringen gebildet wird.  Die Kandidaten unterschieden sich nur in einem Detail: aus dem Rückgrat ragten unterschiedlich viele Sauerstoffatome. Diese so modifizierten Moleküle brachten sie auf die typischen Kontaktmetalle Gold, Silber und Kupfer auf.

Mit Photoelektronen-Spektroskopie (UPS und XPS) an der Synchrotron- strahlungsquelle BESSY II des HZB konnten sie die chemischen Bindungen zwischen Metalloberfläche und organischen Molekülen ermitteln sowie die Energieniveaus von Leitungselektronen messen.

Den exakten Abstand der Moleküle zur Metalloberfläche bestimmten Kollegen von der Universität Tübingen mit Hilfe von X-Ray-Standing-Wave-Messungen, die sie an der Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble durchführten.

Mit Photoelektronen-Spektroskopie (UPS und XPS) an der Synchrotron-strahlungsquelle BESSY II des HZB konnten sie die chemischen Bindungen zwischen Metalloberfläche und organischen Molekülen ermitteln sowie die Energieniveaus von Leitungselektronen messen. Den exakten Abstand der Moleküle zur Metalloberfläche bestimmten Kollegen von der Universität Tübingen mit Hilfe von X-Ray-Standing-Wave-Messungen, die sie an der Synchrotronstrahlungsquelle ESRF in Grenoble durchführten.

Dabei zeigte sich, dass die untersuchten Moleküle bei nahem Kontakt der „Sauerstoff-Ausleger“ mit einigen der Metalloberflächen ihre innere Struktur so veränderten, dass sie ihre halbleitenden Eigenschaften verloren und die metallischen Eigenschaften der Oberfläche annahmen. Trotz vergleichbarer Voraussetzungen zeigte das „nackte“ Rückgratmolekül diesen Effekt nicht. Aus der Beobachtung welche der untersuchten Moleküle sich auf welchem Metall so drastisch veränderten, konnten die Forscher nun allgemeine Richtlinien ableiten. „Wir haben jetzt eine recht genaue Vorstellung davon, wie Moleküle aussehen sollten und welche Eigenschaften sie mitbringen müssen, damit sie gut zwischen einem aktiven organischen Material und einem Metall vermitteln, also gewissermaßen einen Soft Metallic Contact formen“, meint Heimel.

An der Publikation sind auch Experten weiterer Universitäten in Deutschland sowie aus Forschungseinrichtungen in Suzhou (China), Iwate und Chiba (Japan) sowie der ESRF (Frankreich) maßgeblich beteiligt.

The ultimate miniaturization of (opto-)electronics lies in individual molecules performing the functions usually attributed to silicon-based devices, such as switching electrical current. As reliably “wiring up” individual molecules has proven difficult, using monomolecular layers instead is technologically more promising. Usually, however, the chemical design of the constituting molecules still proceeds with the properties of a single one in mind, because most direct intermolecular interactions are weak. During his research stay at the Humboldt-Universität, IRIS Adlershof - sponsored visiting scientist David Egger showed that this approach can lead to surprises. He demonstrated that even the most basic property of any electronic device, the current passing through at a given voltage, can differ drastically between monolayer devices made from almost identical molecules that exhibit virtually the same electronic properties when considered individually. The key lies in how exactly charge is distributed among the atoms within the molecules. The resulting electrostatic fields, while negligible for a single molecule, can add up in tightly packed layers, thus indirectly affecting their charge-transport properties.

Considering these cooperative electrostatic effects in molecular design for future monolayer devices will enable better control over their functionality and performance.



The collective electrostatic action of dipolar bonds at both ends of the molecules raises the electrostatic potential in the center of the monolayer (red region). Thereby, the quantum-mechanical states through which current can flow are lifted up in energy to more favorably align with those of external metal electrodes.

Organic semiconductors are key components for the development of printable, flexible, and large-area electronics. To realize complex device functions the materials should exhibit several (meta-stable) states, between which can be switched selectively with different stimuli ("addressing"). Amongst possible stimuli, light is very attractive as it provides unprecedented spatio-temporal control and can be easily interfaced with advanced optics. However, in order to introduce light-responsiveness in organic devices photoswitchable molecular building blocks have to be incorporated into the material, ideally in a convenient and practical process. An international research team including Stefan Hecht and Norbert Koch – both members of IRIS Adlershof – has now realized such “smart“ transistors that can be addressed by light. As described in their article in Nature Chemistry the authors demonstrated a new concept by introducing photoswitchable electron-hole traps into the active layer of the device. These specifically designed small molecules are able to interfere with the charge flow through the transistor’s semiconducting polymer in one particular state, which is generated by illumination with UV-light. Illumination with visible light disables the traps and re-establishes the initial state, in which charge flow is not affected (see Figure).

The new method of simple blending of trap molecules with the semiconductor matrix is highly effective yet simple, and hence applicable to large-scale device fabrication processes. The light-programmable transistors could serve as multifunctional elements in logic circuits.




Fig.: “Smart“ transistors gated by light: UV-illumination transforms ring-open dithienylethene (blue) to its ring-closed isomer (red), which effectively traps holes in the semiconducting poly(3-hexylthiophene) (P3HT) matrix. Illumination with visible light reverts the process and reinstalls charge flow through the device.


Organic Thin-Film Transistors Adressable by Light
E. Orgiu, N. Crivillers, M. Herder, L. Grubert, M. Pätzel, J. Frisch, E. Pavlica, D. T. Duong, G. Bratina, A. Salleo, N. Koch, S. Hecht, P. Samorì
Nature Chemistry 4 (2012) 675–679
DOI: 10.1038/nchem.1384