Organische Halbleiter

Was sind organische Halbleiter?

Die Bindung von sp2-hybridisiertem Kohlenstoff

Organische Halbleiter basieren auf den ungewöhnlichen Eigenschaften des Kohlenstoffatoms: Unter anderem kann es sogenannte sp₂-Hybridisierungen bilden, bei denen die sp₂-Orbitale ein Dreieck innerhalb einer Ebene bilden und die p_z-Orbitale in der Ebene senkrecht dazu liegen. Eine s-Bindung zwischen zwei Kohlenstoffen kann dann durch Bildung einer Orbitalüberlappung von zwei sp₂-Orbitalen gebildet werden. Der Energiedifferenz zwischen den besetzten Bindungsorbitalen und den nicht besetzten Anti-Bindungsorbitalen ist ziemlich groß und liegt weit außerhalb des sichtbaren Spektralbereichs. Dementsprechend würden längere Ketten gebundener Kohlenstoffatome eine große Lücke zwischen dem höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO) und dem niedrigsten unbesetzten Molekülorbital (LUMO) aufweisen, was zu isolierenden Eigenschaften führen würde.

Bei der sp₂-Hybridisierung bilden die p_z-Orbitale jedoch zusätzlich p-Bindungen. Diese Bindungen weisen einen viel geringeren energetischen Unterschied zwischen HOMO und LUMO auf, was zu einer starken Absorption im oder nahe dem sichtbaren Spektralbereich und zu Halbleitereigenschaften führt.

Organische Halbleiter aus kleinen Molekülen

Wenn Kohlenstoffatome größere Moleküle bilden, typischerweise mit Benzolringen als Grundeinheit, werden die p-Bindungen delokalisiert und bilden ein p-System, das häufig die Verlängerungen des Moleküls aufweist. Die Lücke zwischen besetzten und leeren Zuständen in diesen p-Systemen wird mit zunehmender Delokalisierung kleiner, was zu Absorption und Fluoreszenz im sichtbaren Bereich führt. Diese Substanzen können als molekulare Einkristalle hergestellt werden. Aufgrund der engen Kopplung der p-Systeme der Moleküle in diesen Kristallen zeigen sie in gereinigter Form bemerkenswerte Transporteigenschaften, einschließlich Bandentransport bis Raumtemperatur mit Mobilitäten von 1-10 cm² / Vs. Die meisten Moleküle können auch leicht verdampft werden, um polykristalline (Sprungtransport mit Mobilitäten typischerweise um 10-3 cm² / Vs bei 300 K) oder amorphe (Hüpfen mit Beweglichkeiten typischerweise um 10-5 cm² / Vs bei 300 K) Schichten zu bilden.

Organische Polymerhalbleiter

Wenn eine lange Kette von Kohlenstoffatomen gebildet wird, werden die p-Bindungen entlang der Kette delokalisiert und bilden ein eindimensionales elektronisches System.

Das resultierende 1D-Band hat eine beträchtliche Bandbreite (auf der Skala eines eV), d. H. Wir haben einen 1D-Halbleiter mit einem gefüllten Valenzband, das von den HOMOs stammt, und einem leeren Leitungsband, das von den LUMOs stammt.

Die Transporteigenschaften solcher Polymere werden üblicherweise durch Defekte in den 1D-Ketten oder durch Hüpfen von Kette zu Kette bestimmt. Daher zeigen die Proben keinen Bandentransport, sondern thermisch aktiviertes Hüpfen. Organische Polymerhalbleiter werden üblicherweise in Nassprozessen wie Schleuderbeschichtung oder Drucken abgeschieden.