Tübinger Forscher haben mit einer speziellen Mikroskoptechnik organische Halbleiter in bislang unerreichter Auflösung untersucht: Mit einem sogenannten Nahfeldmikroskop konnten die Wissenschaftler um Alfred Meixner vom Institut für Physikalische und Theoretische Chemie der Universität Tübingen optische Kontraste und eine räumliche Auflösung von 17 Nanometern (Millionstel Millimeter) erzielen. Damit können sie genauer untersuchen, wie sich organische Halbleiterfilme auf festen Substraten wie etwa Silizium bilden und welche physikalischen und chemischen Eigenschaften diese Filme besitzen. Substanzen wie das untersuchte Diindenoperylen (DIP) spielen eine Schlüsselrolle bei organischen Solarzellen und Leuchtdioden.
Die Forscher präparierten zunächst einen Film aus organischen Molekülen (DIP) auf einer Siliziumschicht. Den DIP-Film bestrahlten sie in ihrer speziellen Messanordnung mit dem roten Licht eines
Helium-Neon-Lasers: Der Strahl wird leicht aufgeweitet und trifft auf einen Parabolspiegel, der einen Öffnungsdurchmesser von rund zwei Zentimetern besitzt. Der Spiegel bündelt das Laserlicht auf eine feine Goldspitze, die sich nur ein bis drei Nanometer über der DIP-Probe befindet. Die Goldspitze fungiert wie eine Antenne und koppelt das optische Signal verstärkt in die Probe ein. Dabei werden die Moleküle angeregt und leuchten charakteristisch auf, was Fachleute als Photolumineszenz bezeichnen. “Wir haben eine Verstärkung der Photolumineszenz von bis zu einer Million erhalten”, sagt Alfred Meixner. Nun tritt das ausgesandte Licht über Goldspitze und Parabolspiegel den Rückweg an und kann ausgewertet werden.
Die Forscher habe in ihrer Messapparatur gleich zwei Methoden verknüpft: Die Goldspitze fährt über die Probe wie bei einem Rasterkraftmikroskop und liefert Informationen über die Oberflächentopografie. Die räumliche Auflösung liegt hier bei wenigen Nanometern. Gleichzeitig agiert die Goldspitze im Fokus des Spiegels als Verstärker für die optische Untersuchung im sogenannten Nahfeld. Damit bezeichnen Wissenschaftler optische Messungen bei Dimensionen weit unterhalb der Wellenlänge des eingesetzten Lichts. Der Helium-Neon-Laser hat eine Wellenlänge von 632 Nanometern. Den Forschern gelingt im Nahfeld eine optische Auflösung von Strukturen mit Abmessungen von 17 Nanometern.
Die DIP-Moleküle bilden unter bestimmten Bedingungen auf dem Substrat kristalline Inseln, haben die Forscher festgestellt. Zum umgebenden “Gelände” fallen diese Inseln in rund 1,6 Nanometer hohen Stufen ab, erklärt Ute Heinemeyer vom Institut für Angewandte Physik der Universität Tübingen. Durch das Auswerten der optischen Spektren erhoffen sich die Materialforscher weitere Informationen über die physikalischen Effekte in den Schichten. Die Transporteigenschaften von Elektronen sind beispielsweise entscheidend dafür, wie gut sich DIP und ähnliche organische Halbleiter als Materialien für Solarzellen und flexible Bildschirme eignen.
Alfred Meixner (Universität Tübingen) et al.: Physical Review Letters, doi: 10.1103/PhysRevLett.104.056601 Weitere Informationen: Arbeitsgruppe Alfred MeixnerArbeitsgruppe Frank Schreiber, Ute Heinemeyer Martin Schäfer (unterstützt durch das Kompetenznetz Optische Technologien in Baden-Württemberg, Photonics BW)
