Forschung mit Synchrotronstrahlung in Deutschland 2009 - SNI-Portal

Abbildung 1 Abbildung 2Probleme der organischen SchichtarbeitUntersuchungen mit Synchrotronstrahlungsquellen liefernden Grund für Limitierungen bei der Herstellung dünnerHalbleiterschichten aus einem organischen Material.Moderne Synchrotronquellen ermöglichen Nachweisverfahren,mit denen auch kleinste Änderungen in der Struktur vonorganischen Molekülen in dünnen Filmen sichtbar gemachtwerden können. Weiche organische Materie weist dabei beimFilmwachstum Besonderheiten gegenüber anorganischen Materialienauf, die aus der komplexeren molekularen Struktur undder daraus resultierenden Flexibilität entstehen.Mittels Nahkanten-Röntgenabsorptionsspektroskopie(NEXAFS) konnte ein Forscherteam an BEESY II des Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie zeigen, dass dieKristallisation von dünnen Filmen aus Rubren (C42H28) allgemeindadurch erschwert wird, dass die Atome des Moleküls in derGasphase beziehungsweise im Kristallverband verschieden angeordnetsind (siehe Abbildung 1). Diese Erkenntnis ist von entscheidenderBedeutung, da Rubren im Bereich der organischenElektronik als Halbleiter – z. B. in organischen Feldeffekt-Transistoren– eingesetzt wird und nur leistungsfähige Bauteile hergestelltwerden können, wenn die Rubrenfilme hochkristallinsind.Die Forscher verglichen die NEXAFS-Daten von Rubrenfilmenunterschiedlicher Schichtdicke und entdeckten eine anderespektroskopische Signatur für jene Filme, die sehr dünnwaren oder kalt aufgedampft wurden. Während für alle anderenPräparationsbedingungen drei scharfe Adsorptionslinien(siehe Abbildung 2a) zu sehen sind, konnte eine vierte Linie nurfür Filme gefunden werden, die entweder bei Temperaturenunter 300 K aufgedampft wurden oder die dünner als 12 nmwaren (siehe Abbildungen 2 b-d). Das Auftreten dieser zusätzlichenSpitze kann darauf zurückgeführt werden, dass die Rubrenmolekülein sehr dünnen Filmen in einer verdrillten Formvorliegen. Eine solche Konformation ist charakteristisch für dieGasphase, während für dickere Filme die Moleküle – wie im perfektenKristallverband – eine fast exakte planare Geometrie aufweisen.Wenn der Film bei nicht allzu hohen Temperaturen entsteht,werden die Rubrenmoleküle aus der Gasphase kommend miteiner verdrillten Geometrie auf der Oberfläche eingefroren, dadie für eine Umwandlung in die planare Konformation erforderlicheEnergie von rund 200 Millielektronenvolt zunächstnicht aufgebracht werden kann. Bei höheren Temperaturen istdie Umwandlung in die Volumenkristallstruktur hingegen möglich,wobei zusätzlich die resultierende Gitterenergie frei wird.Die Umwandlung findet auch oberhalb einer kritischen Filmdickefür Filme statt, die bei niedrigeren Temperaturen hergestelltwurden, da der Gewinn an Kristallenergie irgendwann denEnergieaufwand zur Konformationsänderung überkompensiert.Eine genaue Analyse der NEXAFS-Daten zeigt, dass dies bei etwaneun Moleküllagen der Fall ist. In den Daten verschwindet diezusätzliche Absorptionslinie dann vollständig, also nehmendann auch die etwa neuen Lagen des bisherigen dünnen Filmsdie Volumenkristallstruktur an.Bei dünnen Filmen oder solchen, die auf kalte Substrateaufgedampft wurden, kommt es aufgrund des Vorliegens unsymmetrischer,nicht effizient packbarer Moleküle und einer zumindestpartiellen Teil-Reorientierung, zu einer hohenDefektdichte. Dies hat negative Folgen für die Verwendung derFilme in organischen Bauelementen. Zur Herstellung von leistungsfähigenBauelementen werden hochkristalline Schichtenbenötigt, die entsprechend bei hohen Temperaturen erzeugtwerden müssen.Da die Moleküle an der direkten Oberfläche verglichen mitsolchen innerhalb dickerer Filme immer eine andere Konformationaufweisen, wird eine wichtige Voraussetzung für die Molekularstrahlepitaxie,ein Verfahren zur Herstellung dünnerSchichten, nicht erfüllt. Das weitere Filmwachstum wird immeraus verdrillten Molekülen erfolgen. Da die meisten (auch der imBereich organische Elektronik verwendeten) großen organischenMoleküle mehrere energetisch dicht beieinander liegendeKonformationen aufweisen, ist diese Wachstumslimitierung vongroßer Bedeutung für die Methoden zur Filmherstellung – wiedie organische Molekularstrahldeposition (OMBD) bzw. die organischeMolekularstrahlepitaxie (OMBE).Abbildung 1:Der Umbau des verdrilltenMoleküls in der Gasphase(links) in die Konformationim Rubrenkristallrechts bedarf einerEnergie von 210 meV, diedurch erhöhte Temperaturoder Gewinn an Gitterenergieaufgebracht werdenmuss.Abbildung 2:a) NEXAFS-Spektrumeines 30 nm dickenRubrenfilms;b) und c) Ausschnittehöchster Auflösung für0,5 bzw. 2 nm dicke Filmeaufgewachsen bei 170und 300 K auf Au(111)d) Die Entwicklung derFläche der Zusatzspitze.WissenschaftlicheVeröffentlichung:D. Käfer, L. Ruppel,G. Witte and Ch. Wöll:The role of molecularconformations in thin filmgrowth: Why soft mattercan be special. Phys. Rev.Lett. 95, 166602 (2005)Synchrotronstrahlung 2009 29