Leuchtendes Double

Endstation SurICat (Surface Investigation and Catalysis) von BESSY II

Die Experimente an den Hybrid-Halbleitern wurden an der Endstation SurICat (Surface Investigation and Catalysis) von BESSY II durchgeführt.

Lichtemittierende Halbleiter können für Displays oder die schnelle Datenverarbeitung und -übertragung eingesetzt werden. Doch den herkömmlichen Materialien lässt sich nur mühsam Licht entlocken. Forscher des HZB, der Berliner Humboldt-Universität und des Georgia Institute of Technology haben gezeigt, wie es in Zukunft besser geht: durch geschickte Kombination mit organischen Molekülen, die ebenfalls halbleitende Eigenschaften haben.

Holografische Displays, die Bilder dreidimensional darstellen können. Technologien zur digitalen Bildgebung in der Medizin, die einen detaillierten Blick in den menschlichen Körper ermöglichen. Optische ultraschnelle digitale Kommunikation. Die Palette an Anwendungen für lichtemittierende Halbleiter-Werkstoffe ist breit gefächert. Die große Herausforderung dabei: Die Ausbeute an dem begehrten Licht, das nach einer elektrischen Anregung des Materials entsteht, ist bei den heute gebräuchlichen anorganischen Halbleitern wie Silizium und Galliumnitrid gering. Der überwiegende Teil der Anregungsenergie geht durch andere Prozesse verloren. Zudem bieten die herkömmlichen Materialien kaum Möglichkeiten, die Wellenlänge und damit die Farbe des ausgesandten Lichts über weite Bereiche zu variieren. „Eine Alternative stellen organische Halbleiter dar“, sagt Prof. Dr. Norbert Koch, Leiter der Arbeitsgruppe Molekulare Systeme am HZB. Sie haben genau dort ihre Stärken, wo es anorganischen Werkstoffen an Qualität mangelt. Viele organische Halbleiter sind exzellente optische Emitter mit einer hohen Ausbeute an Licht in einem breiten und durchstimmbaren Frequenzbereich. „Der Nachteil solcher Halbleiter ist die geringe Beweglichkeit der Ladungsträger, von denen in organischen Substanzen außerdem nur recht wenige vorhanden sind“, erklärt Koch. Das macht organische Materialien zum Beispiel für die Anwendungen in der elektronikbasierten Datenübertragung, wo es auf hohes Tempo ankommt, ungeeignet. Umgekehrt können anorganische Halbleiter gerade bei diesen Merkmalen glänzen.

Kombination von Halbleitern

Was also liegt näher, als anorganische und organische Halbleiter zu kombinieren? „So können sich die Vorteile beider Materialien addieren, während sich Nachteile gegenseitig ausgleichen“, erläutert Norbert Koch. Zusammen mit Forschern an der Berliner Humboldt-Universität sowie am Georgia Institute of Technology in Atlanta haben er und sein Team eine solche hybride Halbleiterstruktur realisiert und ihre elektronischen und optischen Eigenschaften im Detail untersucht. Die Wissenschaftler entwickelten eine neue Methode, mit der sich das hybride Material-Double besonders effizient als Lichtemitter einsetzen lässt. Zur Herstellung des Hybrid-Halbleiters verwendeten sie eine Kombination aus Zinkoxid – einem anorganischen kristallinen Halbleiterwerkstoff – und Oligophenyl. Die robuste organische Substanz ist ebenfalls halbleitend und wurde vom Chemiker Stefan Hecht an der Humboldt-Universität eigens entworfen und synthetisiert. Sie hat eine leiterähnliche molekulare Struktur aus Benzolringen, die über zusätzliche Kohlenstoff-Atome miteinander verbunden sind. „Zunächst haben wir durch optische Anregung eine große Zahl von Elektron-Loch-Paaren im Zinkoxid erzeugt und sie dann in das organische Material übertragen“, berichtet Koch. Die Schwierigkeit dabei: Die Lage der Energieniveaus in den beiden Werkstoffen unterscheidet sich deutlich. „Das führt dazu, dass zwar viele angeregte Zustände aus dem anorganischen in den organischen Halbleiter gelangen, aber ein großer Teil ihrer Anregungsenergie an der Grenzfläche nichtstrahlend verlorengeht“, sagt Koch. Die Ausbeute an Licht ist kärglich und taugt nicht für eine technische Anwendung. Um das zu ändern, griffen die Forscher zu einem Trick. Sie fügten zwischen die beiden Halbleiter eine zusätzliche dünne Materialschicht ein: ein sogenanntes Donormaterial, das die elektronische Struktur des Zinkoxids gezielt veränderte. „Dafür geeignete Moleküle hatten unsere amerikanischen Partner am Georgia Tech bereits zuvor entwickelt“, berichtet Koch. „Durch den Einfluss des Donors glichen sich die Energieniveaus im anorganischen und organischen Halbleitermaterial einander an.“

Als Folge stieg der Anteil der Anregungen, die nach dem Übergang vom Zinkoxid ins Oligophenyl zur Lichtemission beitrugen, auf das Vielfache des Wertes, den die Forscher ohne Donorschicht gemessen hatten. Die Effizienz – der Anteil der Anregungsenergie, der in Licht verwandelt wird – erreichte so circa 35 Prozent. „Das Ergebnis zeigt, dass unsere Methode gut funktioniert“, freut sich Norbert Koch. Doch der Materialforscher will noch mehr erreichen: „Die physikalischen Grundlagen haben wir damit verstanden, nun wollen wir 100 Prozent Effizienz erreichen“, hat er als Ziel ausgegeben. Daran arbeiten Koch und sein Team derzeit. „Unsere Idee ist es, einen weiteren Halbleiter hinzuzufügen, der den nichtstrahlenden Energieverlust komplett verhindern könnte“, sagt Koch. „Aus solch einem Multihybrid-Material lassen sich künftig vielleicht Leuchtdioden bauen, die Licht mit sehr hoher Intensität bei fast jeder beliebigen Farbe erzeugen könnten – und deren Intensität dabei noch hochfrequent modulierbar sein kann.“ Für technische Anwendungen wie die schnelle optische Datenverarbeitung und -übertragung oder die Integration von elektronischen und photonischen logischen Schaltungen würde das einen enormen Fortschritt bedeuten.

Nature Communications 6, 6754 (DOI: 10.1038/ncomms7754): Efficient light emission from inorganic and organic semiconductor hybrid structures by energy-level tuning; R. Schlesinger, F. Bianchi, S. Blumstengel, C. Christodoulou, R. Ovsyannikov, B. Kobin, K. Moudgil, S. Barlow, S. Hecht, S.R. Marder, F. Henneberger and N. Koch