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Organic semiconductors enable the fabrication of large-scale printed and mechanically flexible electronic applications, and have already successfully established themselves on the market for displays in the form of organic light-emitting diodes (OLEDs). In order to break into further market segments, however, improvements in performance are still needed. Doping is the answer. In semiconductor technology, doping refers to the targeted introduction of impurities (also called dopants) into the semiconductor material of an integrated circuit. These dopants function as intentional "disturbances" in the semiconductor that can be used to specifically control the behaviour of the charge carriers and thus the electrical conductivity of the original material. Even the smallest amounts of these can have a very strong influence on electrical conductivity. Molecular doping is an integral part of the majority of commercial organic electronics applications. Until now, however, an insufficient fundamental physical understanding of the transport mechanisms of charges in doped organic semiconductors has prevented a further increase in conductivity to match the best inorganic semiconductors such as silicon.

Researchers from the Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) and the Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) at TU Dresden, in cooperation with Stanford University and the Institute for Molecular Science in Okazaki, have now identified key parameters that influence electrical conductivity in doped organic conductors. The combination of experimental investigations and simulations has revealed that introducing dopant molecules into organic semiconductors creates complexes of two oppositely charged molecules. The properties of these complexes like the Coulomb attraction and the density of the complexes significantly determine the energy barriers for the transport of charge carriers and thus the level of electrical conductivity. The identification of important molecular parameters constitutes an important foundation for the development of new materials with even higher conductivity.

The results of this study have just been published in the renowned journal "Nature Materials". While the experimental work and a part of the simulations were conducted at the IAPP, the Computational Nanoelectronics Group at the cfaed under the leadership of Dr. Frank Ortmann verified the theoretical explanations for the observations by means of simulations at the molecular level. In doing so, a comprehensive foundation for new applications for organic semiconductor technology has been created.

Title of the article: "Molecular parameters responsible for thermally activated transport in doped organic semiconductors" (Nature Materials)
DOI: 10,1038/s41563-018-0030-8
https://www.nature.com/articles/s41563-018-0277-0
Release date: January 28, 2019
Authors: Martin Schwarze, Christopher Gaul, Reinhard Scholz, Fabio Bussolotti, Andreas Hofacker, Karl Sebastian Schellhammer, Bernhard Nell, Benjamin D. Naab, Zhenan Bao, Donato Spoltore, Koen Vandewal, Johannes Widmer, Satoshi Kera, Nobuo Ueno, Frank Ortmann, Karl Leo

The research was funded by the German Research Foundation (DFG) through the LE-747/44-1 and OR-349/1 projects, by the Federal Ministry of Education and Research (BMBF) through the UNVEiL project, by the German Academic Exchange Service (DAAD) and the Graduate Academy of the TU Dresden through the great!ipid4all programme, and by the European Research Council through the European Union Seventh Framework Programme (n°607232).

Press picture:

Illustration of an organic semiconductor layer (green molecules) with dopant molecule (purple). (C) Sebastian Hutsch, Frank Ortmann

Media Inquiries:
Prof. Karl Leo
Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials, TU Dresden
Tel. +49 351 463-37533
karl.leo@iapp.de
www.iapp.de

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

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 the charge transport properties of innovative semiconductor materials. Organic semiconductors are currently at the heart of this research, which is being funded by the German Research Foundation as part of the Emmy Noether Program. The group has been located at cfaed since 2017.

Info: www.cfaed.tu-dresden.de/ortmann-home

Deutsche Version

Forscher der TU Dresden entschlüsseln die elektrische Leitfähigkeit von dotierten organischen Halbleitern

Forscher des Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) und des Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) an der TU Dresden haben in Kooperation mit der Stanford University (USA) und dem Institute for Molecular Science in Okazaki (Japan) wesentliche Parameter identifiziert, die die elektrische Leitfähigkeit in dotierten organischen Leitern beeinflussen.

Organische Halbleiter erlauben die Herstellung großflächiger gedruckter und mechanisch flexibler elektronischer Anwendungen, und haben sich in Form von organischen Leuchtdioden (OLEDs) bereits erfolgreich auf dem Display-Markt etabliert. Um weitere Marktsegmente zu erschließen, bedarf es allerdings noch einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit. Der Weg dahin führt über Dotierung. Das Dotieren bezeichnet in der Halbleitertechnik das gezielte Einbringen von Fremdatomen (auch Dotanden genannt) in das Halbleitermaterial eines integrierten Schaltkreises. Diese Dotanden sind beabsichtigte „Störungen“ im Halbleiter, mit denen sich das Verhalten der Ladungsträger und damit die elektrische Leitfähigkeit des Ausgangsmaterials gezielt steuern lässt. Schon geringste Mengen davon können einen sehr starken Einfluss auf die elektrische Leitfähigkeit haben. Molekulare Dotierung ist ein elementarer Bestandteil des Großteils kommerzieller Anwendungen in der organischen Elektronik. Bislang fehlte allerdings ein grundlegendes physikalisches Verständnis der Transportmechanismen von Ladungen in dotierten organischen Halbleitern, um die Leitfähigkeit weiter in Richtung der besten anorganischen Halbleiter wie Silizium zu erhöhen.

Forscher des Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials (IAPP) und des Center for Advancing Electronics Dresden (cfaed) an der TU Dresden haben nun in Kooperation mit der Stanford University und dem Institute for Molecular Science in Okazaki wesentliche Parameter identifiziert, die die elektrische Leitfähigkeit in dotierten organischen Leitern beeinflussen. Die Verbindung von experimentellen Untersuchungen mit Simulationen ergab, dass durch Einbringen von Dotiermolekülen in organische Halbleiter Komplexe aus zwei gegensätzlich geladenen Molekülen entstehen. Die Eigenschaften dieser Komplexe wie die Coulomb-Anziehung und die Dichte der Komplexe bestimmen maßgeblich die Energiebarrieren für den Transport von Ladungsträgern und damit die Höhe der elektrischen Leitfähigkeit. Die Identifizierung wichtiger molekularer Parameter bildet einen wichtigen Grundstein für die Entwicklung neuer, noch leitfähigerer organischer Materialien.

Die Ergebnisse dieser Studie wurde soeben in der renommierten Fachzeitschrift „Nature Materials“ veröffentlicht. Während am IAPP die experimentellen Arbeiten und ein Teil der Simulationen durchgeführt wurden, hat die Computational Nanoelectronics Group am cfaed unter der Leitung von Dr. Frank Ortmann die theoretischen Erklärungen für die Beobachtungen durch Simulationen auf molekularer Ebene belegt. Auf diese Weise konnte ein umfassendes Fundament für neue Anwendungen der organischen Halbleitertechnologie gelegt werden.

Titel des Artikels: “Molecular parameters responsible for thermally activated transport in doped organic semiconductors” (Nature Materials)
DOI: 10.1038/s41563-018-0030-8
Veröffentlichung: 28.01.2019
Autoren: Martin Schwarze, Christopher Gaul, Reinhard Scholz, Fabio Bussolotti, Andreas Hofacker, Karl Sebastian Schellhammer, Bernhard Nell, Benjamin D. Naab, Zhenan Bao, Donato Spoltore, Koen Vandewal, Johannes Widmer, Satoshi Kera, Nobuo Ueno, Frank Ortmann, Karl Leo

Die Arbeit wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) durch die Projekte LE-747/44-1 und OR-349/1, vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) durch das Projekt UNVEiL, durch den Deutschen Akademischen Austauschdienst (DAAD) und der Graduiertenakademie der TU Dresden durch das Programm great!ipid4all sowie vom European Research Council durch das European Union Seventh Framework Programme (n°607232) gefördert.

Pressebild: Illustration einer organischen Halbeiterschicht (grüne Moleküle) mit Dotiermolekül (violett); Bildautoren: Sebastian Hutsch, Frank Ortmann

Medienkontakt:

Prof. Karl Leo
Dresden Integrated Center for Applied Physics and Photonic Materials, TU Dresden
Tel. +49-(0)351-463-37533
karl.leo@iapp.de
www.iapp.de

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

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: www.cfaed.tu-dresden.de/ortmann-home