Marcus Regime in Organic Devices: Interfacial Charge Transfer Mechanism Verified

Published on in FRANK ORTMANN GROUP

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Physicists from the Research Cluster Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) of the TU Dresden, together with researchers from Spain, Belgium and Germany, were able to show in a study how electrons behave in their injection into organic semiconductor films. Simulations and experiments clearly identified different transport regimes. The study was published now in Nature Communications.

Charge transfer processes play a fundamental role in all electronic and optoelectronic devices. For devices based on organic thin-film technology, these include the injection of the charge carriers via the metallic contacts and the charge transport in the organic film itself. Injection processes at the contacts are of particular interest here because the contact resistances at the interfaces must be minimized for optimum device efficiency. However, such internal interfaces are difficult to access and therefore not yet understood very well.

The team of cfaed research group leader Frank Ortmann (Computational Nanoelectronics Group), together with researchers from Spain, Belgium and Germany, has now shown in a study that the electronic transport mechanism when injected into an organic film can be described by the so-called Marcus hopping model known from physical chemistry. The model was developed by the American chemist Rudolph Arthur Marcus. Comparative theoretical and experimental investigations unequivocally identified the transport regimes predicted in the Marcus theory. "The predictions derived by R.A. Marcus in the context of chemical synthesis in the 1950s, in particular the so-called 'inverted Marcus regime', could only be confirmed many decades later by systematic experiments on chemical reactions. For his important theoretical contributions, R.A. Marcus received the Nobel Prize for Chemistry in 1992 ", says Ortmann.

"Now, the observation of the 'Inverted Marcus Region', in which a higher voltage generates a lower current, succeeded for the first time in an organic transistor, in which the injection voltage can be actively controlled", Ortmann continues. This leads to a better understanding of electronic and optoelectronic organic devices in general. The publication has been published on 7th May, 2019 in the journal "Nature Communications".

 

Paper title: “Tuning the charge flow between Marcus regimes in an organic thin-film device” (Nature Communications)
Web: https://www.nature.com/articles/s41467-019-10114-2
DOI: 10.1038/s41467-019-10114-2
Authors: A. Atxabal, T. Arnold, S. Parui, S. Hutsch, E. Zuccatti, R. Llopis, M. Cinchetti, F. Casanova, F. Ortmann, L.E. Hueso

 

About the Computational Nanoelectronics Group

The research group at the Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) headed by Dr. Frank Ortmann investigates electronic properties and charge transport properties of novel semiconductor materials. Here, organic semiconductors are currently an important focus of the work, which is funded by the German Research Foundation under the Emmy Noether Program. The group has been based at the cfaed since 2017.
Info: https://cfaed.tu-dresden.de/ortmann-home

 

Media inquiries:

Dr. Frank Ortmann
Center for Advancing Electronics Dresden, TU Dresden
Group Leader Computational Nanoelectronics Group
Tel.: +49 351 463 43260
frank.ortmann@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
Center for Advancing Electronics Dresden, TU Dresden
Head of Communications
Tel.: +49 351 463-42847
matthias.hahndorf@tu-dresden.de


[Deutsche Version]

Marcus-Regime in organischen Bauelementen: Ladungstransfer-Mechanismus an Kontakten aufgeklärt

Physiker des Exzellenzclusters Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) der TU Dresden konnten gemeinsam mit Forschern aus Spanien, Belgien und Deutschland in einer Studie zeigen, wie sich Elektronen bei ihrer Injektion in organische Halbleiterfilme verhalten. Simulationen und Experiment konnten eindeutig verschiedene Transportregime identifizieren. Die Studie wurde jetzt in „Nature Communications“ veröffentlicht.

Ladungstransferprozesse spielen eine grundlegende Rolle bei allen elektronischen und optoelektronischen Bauelementen. Für Bauelemente basierend auf organischer Dünnfilmtechnologie sind dies u.a. die Injektion der Ladungsträger über die metallischen Kontakte und der Ladungstransport im organischen Film selbst. Injektionsprozesse an den Kontakten sind hierbei von besonderem Interesse, da für optimale Effizienten der Bauelemente die Kontaktwiderstände an den Grenzflächen minimiert werden müssen. Allerdings sind solche internen Grenzflächen nur schwer zugänglich und daher nicht gut verstanden.

Das Team um den cfaed-Forschungsgruppenleiter Dr. Frank Ortmann (Computational Nanoelectronics Group) konnte nun gemeinsam mit Forschern aus Spanien, Belgien und Deutschland in einer Studie zeigen, dass sich der elektronische Transportmechanismus bei der Injektion in einen organischen Film durch das sogenannte Marcus-Hüpfmodell beschreiben lässt, welches aus der Physikalischen Chemie bekannt ist und auf den amerikanischen Chemiker Rudolph Arthur Marcus zurückgeht. Durch vergleichende theoretische und experimentelle Untersuchungen konnten die in der Marcus-Theorie vorhergesagten Transportregime zweifelsfrei identifiziert werden. „Die von R.A. Marcus im Zusammenhang mit Fragestellungen der chemischen Synthese in den 50er Jahren abgeleiteten Vorhersagen, insbesondere das sogenannte ‚Invertierte Marcus-Regime‘, konnten erst viele Jahrzehnte später durch systematische Experimente zu chemischen Reaktionen bestätigt werden. Für seine wichtigen theoretischen Beiträge hat R.A. Marcus den Chemie-Nobelpreis 1992 verliehen bekommen.“, so Ortmann.

„Nun ist der Nachweis des ‚Invertierten Marcus-Regimes‘, bei dem eine höhere Spannung einen niedrigeren Strom erzeugt, erstmalig in einem organischen Transistor gelungen, bei dem die Injektions-Spannung aktiv kontrolliert werden kann“, führt Ortmann weiter fort. Dies führe zum besseren Verständnis elektronischer und optoelektronischer organischer Bauelemente allgemein.

Die Publikation wurde am 7.5.2019 in der Fachzeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.

 

Titel der Arbeit: “Tuning the charge flow between Marcus regimes in an organic thin-film device”
Web: https://www.nature.com/articles/s41467-019-10114-2
DOI: 10.1038/s41467-019-10114-2
Autoren: A. Atxabal, T. Arnold, S. Parui, S. Hutsch, E. Zuccatti, R. Llopis, M. Cinchetti, F. Casanova, F. Ortmann, L.E. Hueso

 

Über die Computational Nanoelectronics Group:

Die Forschungsgruppe am Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) unter Leitung von Dr. Frank Ortmann erforscht elektronische Eigenschaften und Ladungstransporteigenschaften neuartiger Halbleitermaterialien. Hierbei sind organische Halbleiter aktuell ein wichtiger Schwerpunkt der Arbeit, die durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft im Rahmen des Emmy Noether-Programms gefördert wird. Die Gruppe ist seit 2017 am cfaed angesiedelt.
Info: https://cfaed.tu-dresden.de/ortmann-home

 

Bildunterschrift: Schematische Darstellung des Bauelements: a – Schematischer Querschnitt des Bauelements. b – Arbeitsweise des Hot-Elektronen-Transistors. Elektronen werden durch Anlegen einer negativen Spannung zwischen Emitter und Basis in den molekularen Halbleiter injiziert und dort nachgewiesen. Diese heißen Elektronen befinden sich nicht im Gleichgewicht mit den thermischen Elektronen in der Basis, und können nicht durch eine höhere Temperatur beschrieben werden.

 

Informationen für Journalisten:

Dr. Frank Ortmann
Center for Advancing Electronics Dresden, TU Dresden
Gruppenleiter Computational Nanoelectronics Group
Tel.: +49 351 463-43260
frank.ortmann@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
Center for Advancing Electronics Dresden, TU Dresden
Öffentlichkeitsarbeit
Tel. +49 351 463-42847
matthias.hahndorf@tu-dresden.de

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