Het afstemmen van de energiekloof door verschillende halfgeleidende moleculen te mengen om de prestaties van het apparaat te optimaliseren, is al een gevestigde procedure voor anorganische halfgeleiders, maar het blijft een uitdaging voor hun biologische tegenhangers. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van de TU Dresden, in samenwerking met onderzoekers van de TU München, evenals de Universiteit van Würzburg, HU Berlijn, en Ulm University hebben aangetoond hoe dit doel te bereiken.

Organische halfgeleiders hebben een reputatie opgebouwd als energie-efficiënte materialen in organische lichtemitterende diodes (OLED's) die worden gebruikt in displays met een groot oppervlak. In deze en andere toepassingen zoals zonnecellen, een belangrijke parameter is de energiekloof tussen elektronische toestanden. Het bepaalt de golflengte van het licht dat wordt uitgezonden of geabsorbeerd. De continue instelbaarheid van deze energiekloof is wenselijk. Inderdaad, voor anorganische materialen bestaat al een geschikte methode:het zogenaamde blenden. Het is gebaseerd op het construeren van de band gap door atomen in het materiaal te vervangen. Dit zorgt voor een continue afstemming als, bijvoorbeeld, in aluminium galliumarsenide halfgeleiders. Helaas, dit is niet overdraagbaar op organische halfgeleiders vanwege hun verschillende fysieke kenmerken en hun op moleculen gebaseerde constructieparadigma, waardoor het afstemmen van de continue bandafstand veel moeilijker wordt.

Echter, met hun laatste publicatie wetenschappers van het Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden) en bij het Cluster of Excellence "e-conversion" aan de TU München samen met partners van de Universiteit van Würzburg, HU Berlijn, en Ulm University hebben, Voor de eerste keer, gerealiseerde energy-gap engineering voor organische halfgeleiders door te mengen.

Voor anorganische halfgeleiders, de energieniveaus kunnen naar elkaar worden verschoven door atomaire substituties, waardoor de band gap wordt verkleind ('band-gap engineering'). In tegenstelling tot, bandstructuurmodificaties door het mengen van organische materialen kunnen de energieniveaus alleen gezamenlijk naar boven of naar beneden verschuiven. Dit komt door de sterke Coulomb-effecten die kunnen worden benut in organische materialen, maar dit heeft geen effect op de kloof. "Het zou heel interessant zijn om ook de kloof tussen organische materialen te veranderen door te mengen, om de langdurige synthese van nieuwe moleculen te vermijden", zegt prof. Karl Leo van de TU Dresden.

De onderzoekers vonden een onconventionele manier om het materiaal te mengen met mengsels van vergelijkbare moleculen die verschillend in grootte zijn. "De belangrijkste bevinding is dat alle moleculen in specifieke patronen rangschikken die zijn toegestaan ​​door hun moleculaire vorm en grootte", legt Frank Ortmann uit, een professor aan de TU München en groepsleider bij het Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed, TU Dresden). "Dit induceert de gewenste verandering in de diëlektrische constante en spleetenergie van het materiaal."

De groep van Ortmann was in staat om het mechanisme te verduidelijken door de structuren van de gemengde films en hun elektronische en diëlektrische eigenschappen te simuleren. Een overeenkomstige verandering in de moleculaire pakking, afhankelijk van de vorm van de gemengde moleculen, werd bevestigd door röntgenverstrooiingsmetingen, uitgevoerd door de Organic Devices Group van Prof. Stefan Mannsfeld bij cfaed. Het belangrijkste experimentele en apparaatwerk werd gedaan door Katrin Ortstein en haar collega's bij de groep van prof. Karl Leo, TU Dresden.

De resultaten van dit onderzoek zijn zojuist gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift Natuurmaterialen . Hoewel dit de haalbaarheid van dit soort engineeringstrategie op energieniveau aantoont, de tewerkstelling ervan zal in de toekomst worden onderzocht voor opto-elektronische apparaten.