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Johannes Gall - Wenn Moleküle ihren Halt verlieren


Computer simulation of phase transitions and molecular processes in thin molecular film


oder

Wenn Moleküle ihren Halt verlieren

Johannes Gall

angefertigt an der Abteilung für Atom- und Oberflächenphysik des Instituts für Experimentalphysik

Kurzfassung (PDF)

Vortrag (PDF) 5,4MB

Video (Monte Carlo Simulation (MP4) 0,5MB

Seit jeher zählen Phasenübergänge zu den spannendsten Naturphänomenen. Viele von ihnen begleiten unser tägliches Leben: am bekanntesten sind wohl das Gefrieren von Wasser zu Eis und sein Verdampfen beim Kochen. Phasenübergänge haben auch einen entscheidenden Einfluss auf technologische Entwicklungen: die Fähigkeit Metalle kontrolliert schmelzen zu können und damit verarbeitbar zu machen war von so großer Bedeutung dass gesamte geschichtliche Perioden (Bronzezeit, Eisenzeit) nach ihnen benannt wurden. Auch aktuelle Technologien, wie etwa die Erzeugung von Blue-Ray Disks, basieren auf kontrollierten Phasenübergängen (siehe Phase-Change-Technologie). Die theoretische Beschreibung solcher Phasenübergänge im Rahmen der Physik ist allerdings sehr komplex. Es stellte sich relativ früh heraus (schon gegen Anfang des 20. Jahrhunderts) dass nur für die einfachsten Systeme exakte Lösungen berechnet werden können. Mit dem Aufkommen von Computersimulationen wurde es allerdings möglich einige dieser Systeme genauer zu untersuchen.


Abbildung 1: Das linke Bild zeigt Pentacen Moleküle (hell) auf einer Kupfer-Sauerstoff Oberfläche (dunkel) aufgenommen mit einem Rastertunnelmikroskop. In der rechten Abbildung sieht man das zugehörige Modell welches für die Computersimulationen verwendet wurde.

In den letzten Jahren sorgte die „organische Elektronik“ immer öfter für Schlagzeilen und scheint die altbewährte Halbleiter-Technologie in Bedrängnis zu bringen.. Die neue Art LED’s oder Transistoren zu erzeugen hat entscheidende Vorteile gegenüber der altbewährten Technologie auf Silizium-Basis: Die Bauteile sind leichter, biegsamer und oft sogar biologisch abbaubar. Woraus besteht nun diese organische Elektronik? Es kommen Moleküle auf Kohlenstoffbasis zum Einsatz, die – wie Silizium – Halbleiter sind. Ein bekannter Vertreter dieser Gruppe ist Pentacen. Um zu verstehen, wie sich diese Materialien im Einsatz verhalten und wie man sie am effektivsten produzieren kann, muss man in die Nano-Welt der Atome eintauchen.


Ich studierte in meiner Diplomarbeit Phasenübergänge in dünnen Schichten solcher organischer Halbleiter. Im Speziellen untersuchte ich sehr dünne Filme aus Pentacen Molekülen auf einer Kupfer-Oberfläche. Diese rein zweidimensionalen Schichten zeigen einen Übergang von einer festen Phase bei sehr tiefen Temperaturen zu einer ungeordneten Phase bei Raumtemperatur; aus Analogiegründen bezechnet man diese Phase auch als "gasförmig" (was aber nicht bedeutet, dass die Moleküle abdampfen). Dieser Phasenübergang hat die Besonderheit, dass sich die Moleküle auf der Oberfläche dabei um 90° drehen. Mit Computersimulationen konnte ich dieses Verhalten erklären und damit wichtige Rückschlüsse über die Wechselwirkungen der Moleküle auf der Oberfläche erzielen.


Abbildung 2: Der Graph zeigt den experimentell (mittels optischer Absorptionsspektroskopie) gemessenen Phasenübergang eines Pentacen-Films (offene Kreise) zusammen mit dem Resultat der Computersimulation (rote Linie). Sowohl die gemessene, als auch die simulierte Größe sind proportional zur Anzahl der Moleküle in der ungeordneten Phase. Bei tiefer Temperatur (links) sind die Moleküle in einer geordneten Phase und nahezu unbeweglich. Bei höherer Temperatur (rechts) befinden sich die Moleküle in einer ungeordneten Phase und haben sich um 90° gedreht.

Die so gewonnenen Erkenntnisse sind wichtig, um das Wachstum organischer Halbleiterschichten kontrollieren zu können. Die Ausrichtung der Moleküle spielt dabei beim Aufbau von Halbleiterbauelementen eine entscheidende Rolle. Die verwendeten Moleküle sind meistens stabförmig und ihre Leitfähigkeit hängt stark von der Raumrichtung ab. Die Anordnung der Moleküle auf dem Substrat kann deshalb bereits über die möglichen Anwendungen für Halbleiterbauelemente entscheiden (LED oder Transistor).



Phasenübergang

Ein vereinfachter Phasenübergang, der Präsentation entnommen.