Mono-Molekulare Schichten verringern Kontaktwiderstand

17.01.2011 - Deutschland

Ein wichtiger Trend der heutigen Elektronik zielt auf die Entwicklung von Displays und elektronischen Schaltungen auf flexiblen und dünnen Plastik-Substraten. Dabei werden photoaktive oder funktionelle organische Materialien verwendet, die sich als Filme dünn, flexibel und kostengünstig herstellen lassen. Beispiele für die Anwendung solcher Materialien sind organische Leuchtdioden oder Photodioden, Dünnschichttransistoren, organische Solarzellen, gedruckte elektronische Bauelemente usw.

Die organischen Schichten müssen ihrerseits durch - meist metallische - Elektroden kontaktiert werden. Dieser elektrische Kontakt stellt jedoch eine große Herausforderung dar, weil Kontaktwiderstände an den Grenzflächen zwischen Metall und Organik die Effizienz stark einschränken können. Daher wird in vielen Laboren weltweit an der Herstellung guter Kontakte gearbeitet.

In dem Materials Science Laboratory der Sony Deutschland GmbH wurde nun ein Durchbruch erzielt, denn der Kontaktwiderstand zwischen Metall und Organik konnte mithilfe von nanometer-dünnen molekularen Filmen um 2 Größenordnungen reduziert werden. Zu diesem Zweck verwendeten die Forscher eine spezielle Dithiocarbamat-Ankergruppe, die sich durch zwei wesentliche Merkmale von den meist verwendeten Thiolen auszeichnet. Zum einen liegen deren Molekülorbitale energetisch deutlich näher an dem Fermi-Niveau von Gold. Zum anderen weisen sie einen erhöhten räumlichen Überlapp mit Metall-Zuständen auf den Gold-Elektroden auf. Auf diese Art kann eine entscheidende Verringerung der Injektionsbarriere an der Schnittstelle zwischen Metall und Organik erzielt werden.

Experimentell bestand die Herausforderung darin, organische Schichten zwischen zwei Elektroden zu messen (einer flüssigen Quecksilber- und einer Gold-Elektrode), die nur etwa 4 nm voneinander entfernt sind. Es war demnach entscheidend, die mono-molekularen Schichten so dicht gepackt und geordnet herzustellen, dass eine definierte Schichtdicke erzielt und ein Kurzschluss der Kontakte ausgeschlossen werden konnte.

Zusätzlich gelang es, durch Photoelektronen-Spektroskopie und durch Dichtefunktionaltheorie, die herausragenden Eigenschaften solcher Kontakte theoretisch zu verstehen.