Hervorragend leitender Isolatorkontakt

  • 19. June 2008



Zwei aufeinander gelegte organische Nichtleiter entwickeln eine metallische Kontaktschicht und versprechen ungeahnte Möglichkeiten für die organische Elektronik.

In der Kontaktfläche zweier unterschiedlicher Isolatoren können ungewöhnliche Dinge geschehen. So hatte sich im vergangenen Jahr die Grenzschicht zwischen zwei nichtleitenden Metalloxiden als metallisch leitend und bei tiefen Temperaturen sogar als supraleitend erwiesen. Jetzt berichten Forscher der Universität Delft, dass auch zwischen organischen Nichtleitern, die aufeinander gelegt werden, metallische Leitfähigkeit auftreten kann, die auf eine hohe Ladungsträgerdichte schließen lässt. Diese Entdeckung eröffnet ungeahnte Möglichkeiten für die organische Elektronik.

Alberto Morpurgo und seine Mitarbeiter haben für ihre Experimente Kristalle der organischen Moleküle Tetrathiofulvalen (TTF) und 7,7,8,8-Tetracyanoquinodimethan (TCNQ) verwendet. Mit diesen beiden Molekülen hatte man vor 35 Jahren die ersten Ladungstransferverbindungen hergestellt. In ihnen sind die TTF- und TCNQ-Moleküle zu benachbarten linearen Ketten angeordnet. Das TTF gibt Elektronen aus seinem höchsten besetzten Molekülorbital (HOMO) an das niedrigste unbesetzte Molekülorbital (LUMO) des TCNQ ab. Dadurch entstehen eindimensionale, bei Zimmertemperatur sehr gut leitende Molekülketten. Bei tiefen Temperaturen geht die Leitfähigkeit jedoch verloren, da ein Peierls-Übergang stattfindet: Die Atome in den Ketten verschieben sich geringfügig und es öffnet sich eine Bandlücke.

Die Delfter Forscher fragten sich, ob dieser Ladungstransfer von TTF zu TCNQ nicht auch in der Kontaktfläche zweier Kristalle dieser Moleküle auftreten kann. Dazu müsste die beim Ladungstransfer freiwerdende Energie größer sein als die zur Ladungstrennung nötige Coulomb-Energie. Die dann entstehende elektrisch leitende Schicht sollte, da sie im Wesentlichen zweidimensional ist, den nur bei eindimensionalen Systemen auftretenden Peierls-Effekt nicht zeigen und deshalb auch bei tiefen Temperaturen leitfähig bleiben.

Wie Forscher berichten, erwies es sich als verblüffend einfach, eine metallisch leitende Grenzschicht zwischen den sehr schlecht leitenden Molekülkristallen herzustellen. Die manuelle und an der Luft durchgeführte Präparation lief so ab, dass zunächst ein TCNQ-Einkristall auf eine weiche Unterlage aus Polydimethylsiloxan gebracht wurde. Darauf wurde ein dünner TTF-Kristall gelegt, der sofort am TCNQ-Einkristall haftete – wahrscheinlich aufgrund elektrischer Kräfte. Um an dieser Probe elektrische Messungen durchführen zu können, wurde sie mit Kohlenstoffpaste und Golddrähten kontaktiert.

Während die benutzten TTF- und TCNQ-Kristalle bei Zimmertemperatur einen elektrischen Widerstand von weit über 1 GΩ hatten, war der Widerstand längs der Kontaktschicht kleiner als 100 kΩ. Daraus ergab sich ein Quadratwiderstand (Quotient aus dem spezifischen Widerstand und der Schichtdicke) zwischen 1 und 30 kΩ, je nach Ausrichtung der Kristalle. Die gute Leitfähigkeit der Schichten war stabil und änderte sich auch im Laufe von mehreren Monaten nicht. Der Quadratwiderstand zeigte bei tiefen Temperaturen ein interessantes Verhalten. War er bei Zimmertemperatur ungefähr so groß wie das Widerstandsquantum h/e2 ≈ 26 kΩ, so nahm er bei Abkühlung zu. War der Quadratwiderstand hingegen viel kleiner als 26 kΩ, so nahm er mit fallender Temperatur ab. Dieses Verhalten lässt sich mithilfe der Theorie ungeordneter elektronischer Systeme erklären.

Die Untersuchung zeigte auch, dass der Quadratwiderstand bei Abkühlung nicht sprunghaft zunahm, wie dies bei einem Peierls-Übergang in den Isolatorzustand der Fall sein müsste. Die Elektronen und Löcher in der Kontaktschicht bewegten sich demnach nicht entlang eindimensionaler Molekülketten sondern frei in einer Ebene. Der Quadratwiderstand der Kontaktschichten war 10- bis 100-mal kleiner als der bei organischen Feldeffekttransistoren gemessene Quadratwiderstand. Bei vergleichbarer Ladungsträgerbeweglichkeit lässt dies auf eine sehr hohe Ladungsträgerdichte in den Kontaktschichten von 5×1014 cm–2 schließen. Die Forscher glauben deshalb, dass der neuartige metallische Elektronen-Löcher-Leiter, der in der Kontaktschicht vorliegt, interessante Anwendungen in der organischen Elektronik ermöglichen wird. Vielleicht wird die Berührungsfläche zwischen den organischen Nichtleitern bei hinreichend tiefen Temperaturen ja sogar supraleitend.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

  • Originalveröffentlichung:
    Helena Alvers et al.: Metallic conduction at organic charge-transfer interfaces. Nature Materials Physics, Advances Online Publication (15.6.2008).
    http://dx.doi.org/10.1038/nmat2205
  • “Molecular Electronics and Devices“ an der TU Delft:
    http://med.tn.tudelft.nl

Weitere Literatur

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