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Investigating the Doping of Organic Semiconductors: Research Group at the Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) Simulates Doping Mechanism

Published on in PRESS RELEASES

Geometry of a molecular cluster of dopant and host molecules with benzimidazoline dopant and a C60 molecule (ball and stick model; atoms are indicated in blue (N), dark grey (C) and light grey (H)) surrounded by C60 molecules (stick model). Credit: S. Schellhammer/ F. Ortmann

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A group of physicists from the cfaed at TU Dresden, together with researchers from Japan, were able to demonstrate in a study how the doping of organic semiconductors can be simulated and experimentally verified. The study has now been published in “Nature Materials”.

In semiconductor technology, doping refers to the intentional introduction of impurities (also known as dopants) into a layer or into the intrinsic semiconductor of an integrated circuit. These dopants are deliberate modifications of the semiconductor, with which the behavior of the electrons and thus the electrical conductivity of the intrinsic material can be controlled. Even the smallest amounts of dopants can have a strong impact on the electrical conductivity. Electronic modifications by doping make semiconductors functional in all major electronic devices – the backbone of the electronics industry.

Although the principle of doping of conventional semiconductors was described in 1950 by the US physicist John Robert Woodyard, there is still discussion about this processes in organic semiconductors. This is because both the dopants and the semiconductor material consist of molecules and the doping efficiency is affected by various effects that are not yet well understood.

A group of physicists from the TU Dresden around the cfaed Independent Research Group Leader Dr. Frank Ortmann (Computational Nanoelectronics Group) was able to show how different doping properties can be simulated and subsequently experimentally verified. For this purpose, the density of states and the Fermi level position of the prototypic materials C60 and zinc phthalocyanine (ZnPc), which were n-doped with highly efficient benzimidazoline radicals (2-Cyc-DMBI), were simulated and experimentally determined by direct and inverse photoemission spectroscopy. This collaboration work with researchers from Japan and cfaed investigators Prof. Karl Leo (Chair of Opto-Electronics) und Prof. Gianaurelio Cuniberti (Chair of Material Science and Nanotechnology) from TU Dresden has now been published in the renowned journal "Nature Materials".

The scientists investigate the role of electronic band gap states that are created on doping. In particular, they identified the energetic difference Δ between the electron affinity of the undoped molecule and the ionization potential of its doped counterpart (in the vicinity of dopants) as a key parameter for efficient doping. “This parameter is critical for the generation of free charge carriers and thus influences the conductivity of the doped films,” said Ortmann. “Strategies for optimizing the electronic properties of organic semiconductors can be studied and characterized by changes in the value of Δ.

 

Paper title: “Insight into doping efficiency of organic semiconductors from the analysis of the density of states in n-doped C60 and ZnPc” (Nature Materials)

DOI: 10.1038/s41563-018-0030-8

Authors: Christopher Gaul, Sebastian Hutsch, Martin Schwarze, Karl Sebastian Schellhammer, Fabio Bussolotti, Satoshi Kera, Gianaurelio Cuniberti, Karl Leo, Frank Ortmann

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1) https://cfaed.tu-dresden.de/files/Images/dynamic/press_releases/2018/ortmann_nature_structure.png
 
Image caption: Geometry of a molecular cluster of dopant and host molecules with benzimidazoline dopant and a C60 molecule (ball and stick model; atoms are indicated in blue (N), dark grey (C) and light grey (H)) surrounded by C60 molecules (stick model).
Authors: S. Schellhammer/ F. Ortmann



2) https://cfaed.tu-dresden.de/files/Images/people/research-groups+phds/ortmann-group/frank-ortmann_JL011117378.jpg


 
Image caption: Dr. Frank Ortmann, cfaed Independent Research Group Leader
Photo: cfaed / Jürgen Lösel

 

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

Press Contact:

Dr. Frank Ortmann
Technische Universität Dresden, Center for Advancing Electronics Dresden
Tel.: +49 (0)351 463 43260
E-Mail: frank.ortmann@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
cfaed, Head of Communications
Phone: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de

 

About the Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed)
cfaed is a microelectronics research cluster funded by the German Excellence Initiative. It comprises 11 cooperating institutes in Saxony, host university is the Technische Universität Dresden (TUD). About 300 scientists from more than 20 countries investigate new technologies for electronic information processing. These technologies are inspired by innovative materials such as silicon nanowires, carbon nanotubes or polymers or based on completely new concepts such as the chemical chip or circuit fabrication methods by self-assembling structures such as DNA-Origami. The orchestration of these new devices into heterogeneous information processing systems with focus on their resilience and energy-efficiency is also part of cfaed’s research program which comprises nine different research paths.
www.cfaed.tu-dresden.de


Deutsche Version

 

Der Dotierung organischer Halbleiter auf die Spur gekommen: Forschungsgruppe am Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) simuliert Dotierungsmechanismus

Eine Gruppe von Physikern vom cfaed an der TU Dresden konnte gemeinsam mit Forschern aus Japan in einer Studie zeigen, wie sich die Dotierung organischer Halbleiter simulieren und experimentell überprüfen lässt. Die Studie wurde nun in „Nature Materials“ veröffentlicht.

Das Dotieren bezeichnet in der Halbleitertechnik das gezielte Einbringen von Fremdatomen (auch Dotanden genannt) in eine Schicht oder in das Halbleitermaterial eines integrierten Schaltkreises. Diese Dotanden sind beabsichtigte „Störungen“ im Halbleiter, mit denen sich das Verhalten der Elektronen und damit die elektrische Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials gezielt steuern lässt. Schon geringste Mengen davon können einen sehr starken Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit haben. Dotierung verleiht Halbleitern ihre Funktionalität in allen wichtigen elektronischen Bauelementen und bildet somit das Rückgrat der Elektronikindustrie.

Obwohl das Prinzip der Dotierung von konventionellen Halbleitern bereits 1950 von dem US-Physiker John Robert Woodyard beschrieben wurde, gibt es bis heute Unklarheiten über Vorgänge beim Dotieren organischer Halbleiter. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sowohl die Dotanden als auch das Halbleitermaterial aus Molekülen bestehen und die Dotiereffizienz von verschiedenen Effekten beeinflusst wird, die noch nicht gut verstanden sind.

Eine Gruppe von Physikern der TU Dresden um den cfaed-Forschungsgruppenleiter Dr. Frank Ortmann (Computational Nanoelectronics Group) konnte nun in einer Studie zeigen, wie sich verschiedene Dotiereigenschaften simulieren und anschließend experimentell überprüfen lassen. Dafür wurden die Zustandsdichte und die Position des Ferminiveaus der prototypischen Materialien C60 und Zinkphthalocyanin, welche mit hocheffizienten Benzimidazolin-Radikalen (2-Cyc-DMBI) n-dotiert wurden, simuliert und in direkter und inverser Photoemissions-Spektroskopie experimentell bestimmt. Diese Arbeit mit Kollaborationspartnern aus Japan und mit den cfaed-Partnern Prof. Karl Leo (Professur für Optoelektronik) und Prof. Gianaurelio Cuniberti (Professur für Materialwissenschaft und Nanotechnik) von der TU Dresden wurde nun in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht.

Die Wissenschaftler untersuchen darin die Rolle von elektronischen Zuständen in der Bandlücke, die durch das Dotieren erzeugt wurden. Insbesondere identifizierten sie den energetischen Unterschied Δ zwischen der Elektronenaffinität des undotierten Moleküls und dem Ionisationspotential seines dotierten Gegenstücks (in der Nähe von Dotanden) als Schlüsselparameter für effiziente Dotierung. „Dieser Parameter ist kritisch für die Erzeugung von freien Ladungsträgern und beeinflusst damit die Leitfähigkeit der dotierten Filme“, so Ortmann. „Strategien zur Optimierung der elektronischen Eigenschaften organischer Halbleiter können durch die Veränderung des Wertes von Δ untersucht und charakterisiert werden."

 

Titel der Arbeit: “Insight into doping efficiency of organic semiconductors from the analysis of the density of states in n-doped C60 and ZnPc” (Nature Materials)

DOI: 10.1038/s41563-018-0030-8

Autoren: Christopher Gaul, Sebastian Hutsch, Martin Schwarze, Karl Sebastian Schellhammer, Fabio Bussolotti, Satoshi Kera, Gianaurelio Cuniberti, Karl Leo, Frank Ortmann

 

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

Pressebilder: HiRes-Download unter:

1) https://cfaed.tu-dresden.de/files/Images/dynamic/press_releases/2018/ortmann_nature_structure.png

Bildunterschrift: Atomares Strukturmodell eines Clusters des dotierten Halbleiters C60 mit Benzimidazolin-Dotand (Darstellung der Atome im Kugel-Stab-Modell: blau (N), dunkelgrau (C) und hellgrau (H)). C60 Moleküle in der Umgebung sind vereinfacht im Stab-Model dargestellt.

Bildautoren: S. Schellhammer/ F. Ortmann

 

2) https://cfaed.tu-dresden.de/files/Images/people/research-groups+phds/ortmann-group/frank-ortmann_JL011117378.jpg

Bildunterschrift: Dr. Frank Ortmann, cfaed Independent Research Group Leader

Foto: cfaed / Jürgen Lösel

 

Pressekontakt:

Dr. Frank Ortmann
Technische Universität Dresden, Center for Advancing Electronics Dresden
Tel.: +49 (0)351 463 43260
E-Mail: frank.ortmann@tu-dresden.de

Matthias Hahndorf
cfaed, Leitung Wissenschaftskommunikation
Tel.: +49 (0)351 463 42847
E-mail: matthias.hahndorf@tu-dresden.de

 

Über das Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed)

Zum Exzellenzcluster für Mikroelektronik an der Technischen Universität Dresden gehören elf Forschungsinstitute, darunter die Technische Universität Chemnitz sowie zwei Max-Planck-Institute, zwei Fraunhofer-Institute, zwei Leibniz-Institute und das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf. Auf neun verschiedenen Pfaden forschen rund 300 Wissenschaftler nach neuartigen Technologien für die elektronische Informationsverarbeitung. Sie verwenden dabei innovative Materialien wie Silizium-Nanodrähte, Kohlenstoff-Nanoröhren oder Polymere. Außerdem entwickeln sie völlig neue Konzepte, wie den chemischen Chip oder Herstellungsverfahren durch selbstassemblierende Strukturen, bspw. DNA-Origami. Ziele sind zudem Energieeffizienz, Zuverlässigkeit und das reibungslose Zusammenspiel der unterschiedlichen Bauelemente. Darüber hinaus werden biologische Kommunikationssysteme betrachtet, um Inspirationen aus der Natur für die Technik zu nutzen. Dieser weltweit einzigartige Ansatz vereint somit die erkenntnisgetriebenen Naturwissenschaften und die innovationsorientierten Ingenieurwissenschaften zu einer interdisziplinären Forschungsplattform in Sachsen.
www.cfaed.tu-dresden.de

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