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"Für uns war die Beobachtung des Feldeffektes sehr
interessant, weil man über diese Reaktion mikroskopische Informationen
über die Ladungsverteilung im Molekül erhalten kann", so Lupton. Diese
Verteilung beeinflusst entscheidend den Stromfluss auf molekularer
Ebene. Diese Ebene ist bei polymerischen Halbleitern aber gerade
maßgebend, da gegenüber kristallinen Materialien wie Galliumarsenid
und Silizium die halbleitenden Eigenschaften nicht von der Fernordnung
des gesamten Festkörpers stammen, sondern von der Ordnung der Atome in
den einzelnen Molekülen. "Deshalb führen wir die Untersuchungen auf
der Ebene einzelner Moleküle durch, weil man nur vom Molekül ausgehend
mehr über den Festkörper lernen kann", meint Florian Schindler,
Erstautor der Studie. "Nebenbei ergeben sich aber auch bislang
unerwartete Anwendungen der Moleküle als Schalter und Speicher im
Nanobereich. Insgesamt ist unsere Entdeckung wichtig für Bauelemente
wie Leuchtdioden, Bildschirme, Laser und Solarzellen."
Die Farbänderung von Molekülen im elektrischen Feld
wird als Stark-Effekt bezeichnet. Ursprünglich beschreibt dieser
Effekt spezifische Veränderungen der ausgestrahlten Spektrallinien von
Atomen unter großen elektrischen Feldern. Benannt ist dieses Phänomen
nach Johannes Stark, der unter anderem für diese Entdeckung im Jahr
1919 den Nobelpreis erhielt. "Es gibt einen linearen und einen
quadratischen Stark-Effekt", so Lupton. "Vom Festkörper des Polymers
kennt man nur den quadratischen, beim Einzelmolekül haben wir jetzt
aber auch den linearen Effekt nachgewiesen. Das sagt uns, dass die
Ladungsverteilung im Molekül ungleichmäßig, und damit das Molekül
selbst polarisiert ist." An einem Ende des Moleküls sitzt somit also
nun eine positive Ladung, am anderen Ende eine Negative - ein Dipol
wird gebildet.
"Am besten kann man sich das vielleicht mit dem
Bild eines Wasserschlauchs vorstellen, der eine Delle besitzt", meint
Lupton. "Die Flussmenge des Wassers wird sich verändern, wenn man auf
den Schlauch drückt. Sie wird sich vergrößern oder reduzieren, je
nachdem, ob die Delle nach innen oder außen ragt. Die Flussänderung
wiederum hängt von der mechanischen Kraft ab, die die Delle verformt.
Bei einem Bündel von Schläuchen werden sich die Verformungen im Mittel
aufheben, so dass die Flussmenge insgesamt nicht auf kleine Kräfte
reagieren sollte, wenn diese auf alle Schläuche gleichzeitig wirken."
Ähnliches läuft bei den Polymeren ab, in denen sich Elektronen wie das
Wasser im Schlauch bewegen. Die Dellen entsprechen Regionen im Molekül
mit aufgestauten Elektronen, die den freien Elektronenfluss behindern.
"Ob eine Delle vorhanden ist, kann man nur wissen, wenn man auf das
Molekül 'drückt'. Das bedeutet, dass man mit Hilfe eines elektrischen
Feldes versucht, die Elektronen zu bewegen."
Normalerweise können sich Elektronen so frei
bewegen wie Wasser in einem Schlauch ohne Dellen. Diese so genannte
Polarisierbarkeit der Elektronen führt dazu, dass eingestrahltes Licht
eine dynamische Polarisation erzeugt. Die eigentlich frei beweglichen
Elektronen bewegen sich dann entsprechend der Lichtschwingung. Liegt
dabei allerdings eine permanente Polarisation - also eine Delle - vor,
so wird der Elektronenfluss behindert, was sich als Stark-Effekt
äußert: Wird ein elektrisches Feld angelegt, ändert sich die
Emissionsfarbe.
"Vergleichbar ist die Situation auf dem Polymer mit
einem Kondensator. Das Molekül ist zwischen die negativ und positiv
geladenen Kondensatorplatten gespannt, die ihrerseits ein elektrisches
Dipol-Feld hervorrufen", erklärt Prof. Feldmann. Das extern angelegte
elektrische Feld wirkt mit dem Kondensatorfeld zusammen und führt zu
charakteristischen Veränderungen der Molekülfluoreszenz. "Wir konnten
ganz grundsätzlich zeigen, dass auf jedem Polymermolekül ein
permanenter Dipol sitzt", fasst Lupton zusammen. "Das erlaubt zum
ersten Mal eine Aussage über die statische Ladungsverteilung in einem
Halbleitermolekül, die eben nicht gleichmäßig und symmetrisch ist,
sondern von einer fundamentalen Symmetriebrechung dominiert wird."
Weil die Moleküle aufgrund des Dipols quasi geladen sind, herrschen
vermutlich starke Abschirmungseffekte. "Das muss man berücksichtigen,
wenn man sich jetzt ein neues Modell des Ladungstransportes überlegt",
meint Lupton. "Die Frage ist, wie Ladungen in einem Bauelement
eigentlich von einem Molekül zum anderen kommen."
Die Leuchtfähigkeit der Polymere im Bauelement
beruht auf dem Prinzip der Elektrolumineszenz. Die Bauelemente sind
aus extrem dünnen Schichten aufgebaut. Eine davon, die Kathode,
injiziert Elektronen. Eine andere, die Anode, entfernt Elektronen, so
dass Löcher oder "leere Zustände" entstehen, in die Elektronen fallen
können. Elektronen und Löcher können sich frei bewegen und treffen
zwischen Kathode und Anode zusammen. Dort befindet sich eine dünne
Schicht aus dem organischen Halbleiter. Elektronen und Löcher
kombinieren, wenn sie aufeinandertreffen, und bilden ein so genanntes
Exziton. Dabei wird in der Halbleiterschicht Energie in Form eines
Photons frei: Licht wird emittiert.
Es ist davon auszugehen, dass Abschirmungseffekte
auch die Wirkungsweise von Polymertransistoren beeinflussen, bei denen
es gerade um die elektrostatische Erzeugung einer Polarisation geht.
Solche Plastiktransistoren werden in billigen intelligenten Etiketten
eingesetzt. In Bezug auf Anwendungen stellt der Einfluss elektrischer
Felder auf Moleküle aber auch eine Möglichkeit des elektrooptischen
Schaltens dar. So lässt sich sowohl die Fluoreszenzwellenlänge, also
die Farbe, als auch die Fluoreszenzintensität auf diesem Weg
regulieren. Manche Moleküle haben auch eine Art Gedächtnis und lassen
sich als Speicherbausteine einsetzen. "Schließlich kann der Dipol auch
für Solarzellen von Bedeutung sein", so Lupton. "Die Absorption von
Photonen ist bei diesen Bauelementen zwar sehr stark, allerdings ist
auch die elektrostatische Bindung von Elektron an Loch so groß, dass
das Paar nur schwer getrennt werden kann. Vermutlich wird die
Ladungstrennung, die für den Betrieb der Solarzelle nötig ist, durch
die Anwesenheit von Dipolen dramatisch verstärkt." |
