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Alle nebeneinander: Die Moleküle sollen aufrecht stehen!

(c) Bilderbox
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Organische Halbleiter: Physiker in Graz und Leoben entdeckten, wie sich Moleküle beim Klettern biegen.

Para-Sexiphenyl, auch Para-Hexaphenyl genannt, ist ein reizvolles Molekül. Schon durch seine Regelmäßigkeit: Es besteht aus sechs (sechseckigen) Benzolringen, die in einer geraden Kette („para“) aneinanderhängen, also ein winziges Stäbchen bilden, 2,85 Nanometer lang. Die Summenformel ist schlicht: C36H26. Jedes Kohlenstoff-Atom (C) ist über eine starke ?-Bindung an drei andere Atome gebunden. Ein C-Atom hat vier für Bindungen bereite Elektronen, d.h., es bleibt ein Elektron pro C übrig. Diese übrig gebliebenen Elektronen bilden, wie bei Benzol und Konsorten üblich, ?-Bindungen aus, die schwächer als die ?-Bindungen sind – und vor allem viel weniger lokalisiert. Im Para-Sexiphenyl sind das 36 Elektronen, die relativ frei beweglich sind, über das ganze Molekül „verschmiert“, wie die Chemiker sagen.

Dieses ausgedehnte „?-System“ bewirkt, dass das Molekül blau fluoresziert, vor allem aber beeinflusst es die Leitfähigkeit. Grafit, in dem die C-Sechsecke ganze Flächen füllen, ist ja ein guter Leiter. Schichten aus Sexiphenyl sollten den Strom auch leiten. So ist dieses Molekül interessant für Physiker an der TU Graz und der Montanuni Leoben, die sich den „Eigenschaften von organischen Halbleitern in dünnen Schichten“ widmen. („Organisch“ deshalb, weil mit Ausnahme von CO, CO2 und CO32– alle C-Verbindungen per definitionem als organisch gelten.)

Dünne Schichten erhält man, indem man die Moleküle auf ein anorganisches Trägermaterial aufdampft. Für die aktuelle Arbeit (Science, 321, S.108) verwendeten die Physiker eine Art von Glimmer.


„Erzberg“ oder Tiefebene?

Die entscheidende Frage, auch für die Leitfähigkeit der Schicht, ist: Wie platzieren sich die Moleküle auf der Glimmeroberfläche? Legen sie sich hin oder stehen sie aufrecht? „Üblicherweise legen sie sich nebeneinander hin“, erklärt Adolf Winkler von der TU Graz, „und sie bilden nadelförmige Strukturen. Die sind gut für Nanooptik. Für Halbleiter-Bauelemente wie Transistoren sind aber aufrecht stehende Moleküle besser geeignet.“

Durch Beschuss der Glimmerplättchen mit Ionen veränderten die Physiker die Oberfläche so, dass die Sexiphenyl-Moleküle sich nicht so stark von ihr angezogen fühlen und lieber aufrecht stehen, eines neben dem anderen, bis die Oberfläche aussieht wie eine Bürste. Leider lagern sie sich auch übereinander an, sodass treppenförmige Strukturen entstehen, die zwar nur wenige Nanometer hoch sind, aber die steirischen Forscher „an den steirischen Erzberg“ erinnern. Sie sollen aber eine Ebene bilden! Um eine bereits formierte Gebirgslandschaft zu einer flachen Bürste umzustrukturieren, müssen etliche Moleküle wandern, an einer Kante abwärtsrutschen respektive klettern. Dabei müssen sie eine energetische Barriere überwinden.


Gut für biegsame Bildschirme?

Gregor Hlawacek vermaß die Form der Kanten – und damit die Energiebarriere. Claudia Ambrosch-Draxl und Peter Puschnig, ebenfalls in Leoben, bei der Gruppe für Computermodellierung, ergründeten in einer Simulation, was passiert, wenn die Moleküle über die Stufen wandern. Ergebnis: Sie verbiegen sich, die Sexiphenyl-Stäbchen bilden einen Knick. So etwas kommt bei anorganischen Schichten nicht vor.

Mit diesen Ergebnissen kann man nun die Methoden perfektionieren, damit möglichst flache Schichten entstehen. Wie sie in Bildschirmen der Zukunft enthalten sein könnten, die sich falten und rollen lassen wie ein Blatt Papier. Womit alle Bildschirme sozusagen zu Zeitungen würden – und der Print-Journalismus endgültig gesiegt hätte. Aber bis dahin müssen die steirischen Physiker noch einige Schichten aufdampfen.

("Die Presse", Print-Ausgabe, 04.07.2008)