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Münster (upm)

Nanophysiker entwickeln neuartiges Konzept für molekulare Fototransistoren

Forscher der WWU Münster berichten in "Nature Communications"
Die hohe Empfindlichkeit der neuen DPA-PFTs (linkes Schema) wurde demonstriert durch die Aufnahme vom räumlich aufgelösten „Stromkarten“, die durch Masken in der Form des Buchstabens „C“ erzeugt wurde (rechts Bild).<address>© © Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature</address>
Die hohe Empfindlichkeit der neuen DPA-PFTs (linkes Schema) wurde demonstriert durch die Aufnahme vom räumlich aufgelösten „Stromkarten“, die durch Masken in der Form des Buchstabens „C“ erzeugt wurde (rechts Bild).
© © Macmillan Publishers Limited, part of Springer Nature

Die effiziente Umwandlung von Licht in elektrische Signale ist für die elektronische Bildgebung, optische Kommunikationstechnologien und biomedizinische Sensorik von zentraler Bedeutung. Forscher des Physikalischen Institutes und des Centrums für Nanotechnologie (CeNTech) um Prof. Dr. Harald Fuchs von der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) haben nun in Kooperation mit chinesischen Partnern ein neuartiges Konzept für molekulare Fototransistoren entwickelt, um Licht mit bisher unerreichter Effizienz im elektrische Signale umzuwandeln. Über ihre Erkenntnisse berichten die Nanophysiker in der jüngsten Ausgabe des Fachmagazins "Nature Communications".

Fototransistoren stellen wichtige Baueinheiten in der Optoelektronik dar, um Licht einzufangen und in elektrische Signale umzuwandeln. Speziell für die Entwicklung von biegsamen und faltbaren elektronischen Komponenten sind organische Fototransistoren (OFT) von besonderem praktischem Interesse. Neben ihrer mechanischen Flexibilität sind sie leicht, preiswert und verhältnismäßig einfach großflächig herstellbar. Durch die gezielte Änderung der molekularen Struktur können die physikalischen Eigenschaften in weiten Bereichen präzise eingestellt werden. Die bisher bekannten Entwicklungen organischer OFT lagen mit ihrer Leistungsfähigkeit stets hinter der von anorganischen oder Hybrid-Systemen. Die Hauptursache hierfür liegt in der niedrigen Beweglichkeit der Ladungsträger in organischen, fotoresponsiven Materialien, die die Effizienz des Ladungstransports und Fähigkeit, Ladungsträger effizient einzufangen, beeinträchtigt.

 

Der neue Ansatz der Forscher basiert auf der Nutzung von kleinen Molekülen – 2, 6-Diphenylanthrazen (DPA) – anstelle von langen Polymerketten. Diese Moleküle besitzen eine stark fluoreszierende Anthrazen-Einheit als halbleitenden Kern und Phenylgruppen (in 2, 6-Position zur Anthrazen-Einheit), welche die Ladungsträgermobilität und die opto-elektronischen Eigenschaften optimieren. Die so hergestellten, aus keinen Molekülen bestehenden Fototransistoren weisen eine hohe Fotoempfindlichkeit, Fotoresponsivität und Detektivität auf. "Die erreichten Werte überragen diejenigen aller anderen bekannten OFT und gehören zu den besten aller bisher bekannten Fototransistoren, in vielen Bereichen sogar denen der anorganischen", erläutert Dr. Deyang Ji, der die neuen Fototransistoren im Physikalischen Institut der WWU hergestellt hat und Hauptautor der Veröffentlichung ist. Dr. Saeed Amirjalyer, Gruppenleiter am CeNTech und Co-Autor der Arbeit, ergänzt: "Durch die Kombination der experimentellen Daten mit Simulationen konnten wir die hohen Leistungsdaten der entwickelten Fototransistoren quantitativ verstehen, was eine gezielte Optimierung ermöglicht." Durch die geeignete Wahl organischer Moleküle und physikalischer Grundlagenforschung konnte so eine wichtige Brücke zur technologischen Anwendung im Bereich der Sensorik oder Datenübertragung geschlagen werden.

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (SFB 858 und TRR 61) unterstützt.

 

Originalveröffentlichung:
Deyang Ji, Tao Li, Jie Liu, Saeed Amirjalayer, Mianzeng Zhong, Zhao-Yang Zhang, Xianhui Huang, Zhongming Wei, Huanli Dong, Wenping Hu and Harald Fuchs: Band-like transport in small-molecule thin films toward high mobility and ultrahigh detectivity phototransistor arrays. Nature Communications 10, Article number: 12 (2019)

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