23.02.2016 (fjh)
Die blitzschnellen Molekülbewegungen organischer Halbleiter-Moleküle lassen sich präzise nachvollziehen, wenn man ausgeklügelte Messverfahren und Computersimulationen verbindet. Das belegen Physiker aus Marburg und Cambridge mit einer Studie, die sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Nature Materials" veröffentlichen.
Elektronische Bauelemente auf Kunststoffbasis gelten als zukunftsweisende Technik, weil sie kostengünstig herstellbar sind. "Um Anwendungen der organischen Elektronik voranzubringen, muss man die Materialeigenschaften vollständig beherrschen und zum Beispiel genau wissen, wie sich Moleküle auf Kunststoffoberflächen bewegen", erklärte Projektleiter Prof. Dr. Gregor Witte von der Philipps-Universität. "Das gelingt bei bisherigen Versuchsanordnungen nicht, weil die Molekülbewegungen mitunter sehr schnell ablaufen."
Als Modellsystem für ihre Untersuchungen verwendeten die Wissenschaftler den organischen Halbleiter "Pentacen". In ihrer Versuchsanordnung bildete eine dünne Schicht aus Pentacenmolekülen eine stabile, gitterförmige Oberfläche. Auf ihr bewegen sich ungebundene Pentacenmoleküle extrem schnell innerhalb von milliardstel Sekunden.
Um die Bewegung der freien Moleküle zu messen, griff das Team auf eine weltweit einzigartige Apparatur zurück, die sich am Cavendish Laboratory der Universität Cambridge befindet. Prof. Dr. William Allison betreibt dort ein Gerät zur "Helium Spin-Echo Streuung".
"Ähnlich wie bei einer Radarkontrolle, bei der gestreute Radiowellen die Information über die Geschwindigkeit enthalten, werden hier Heliumatome gestreut, um Positionen und Geschwindigkeiten der Pentacen-Moleküle gleichzeitig und mit atomarer Auflösung zu bestimmen", erläuterte der Erstautor Paul Rotter von der Philipps-Universität. „Die Interpretation der Messergebnisse gelingt freilich nur im Vergleich mit Computersimulationen der Bewegung", führte der Marburger Koautor Prof. Dr. Bruno Eckhardt aus, der eine Arbeitsgruppe zu Komplexen Systemen leitet.
Das Endergebnis überraschte die Forscher: Die Moleküle bewegen sich bevorzugt längs der Furchen zwischen den Pentacen-Molekülen der Oberfläche. Quer zu diesen Furchen können sie sich nur bewegen, indem sie sich um 90 Grad drehen.
"Dies ist das erste Mal, dass Diffusionsbewegungen komplexer organischer Systeme im molekularen Maßstab bei Raumtemperatur beobachtet wurden", hob Seniorautor Witte hervor. "Unsere Ergebnisse zeigen, wie die Bewegungen von der Anordnung der Moleküle und der Struktur des Untergrunds abhängen. Das ist von großer Bedeutung für das wachsende Feld der Nanotechnologie."
Witte lehrt Molekulare Festkörperphysik an der Philipps-Universität. Neben den Arbeitsgruppen von Witte und Eckhardt sind auch Wissenschaftler von der Universität Cambridge an der Veröffentlichung beteiligt. Die Vorarbeiten wurden unter anderem durch das Erasmus-Programm der Europäischen Union (EU) sowie das Graduiertenkolleg "Funktionalisierung von Halbleiteroberflächen" der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert.
pm: Philipps-Universität Marburg
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