Abbildung 1: Energieniveaudiagramm mit Darstellung des Konzepts der vorliegenden Methode (links) und schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Umsetzung dieses Konzepts (rechts). Der assistierende Professor Hiroyuki Yoshida demonstrierte zum ersten Mal, dass die unbesetzten Zustände von festen Materialien präzise untersucht werden können, indem das nahe ultraviolette Licht nach der Injektion von Elektronen mit ultraniedriger Energie detektiert wird. Diese Technik eignet sich aufgrund der geringen Probenschädigung und der hohen Auflösung besonders zur Untersuchung des unbelegten Zustands organischer Halbleiter. Die neue Methode wird als Standardmethode für die Erforschung und Entwicklung organischer Halbleitermaterialien und -bauelemente eingesetzt. Das Ergebnis ist in "Chem. Phys. Lett." Veröffentlicht.

In organischen Halbleiterbauelementen werden die elektronischen Eigenschaften und Geräteleistungen durch die Grenzenergieniveaus bestimmt. Von den elektronischen Grenzzuständen wurden die Valenzzustände, in denen sich Löcher bewegen, durch Photoemissionsspektroskopie (PES) intensiv untersucht. Die Untersuchung der unbesetzten Zustände, die Elektronen durchlaufen, war hingegen aufgrund fehlender geeigneter experimenteller Methoden begrenzt. Um ein vollständiges Verständnis des Funktionsprinzips der Geräte zu erhalten, sind sowohl der Wertigkeitszustand als auch der unbesetzte Zustand gleichermaßen wichtig.

Die unbesetzten Zustände können durch inverse Photoemissionsspektroskopie (IPES) untersucht werden, die eine Ergänzung zu PES darstellt. In früheren IPES wurden nach der Injektion von Elektronen mit Energien von 10 - 1000 eV in feste Materialien entweder Röntgen- (hv> 1 keV) oder Vakuum-Ultraviolett-Photonen (VUV; hv h 10 eV) nachgewiesen. Die energiereichen Elektronen können die organischen Proben beschädigen und eine weitere Analyse der unbesetzten Zustände verhindern. Außerdem ist die Energieauflösung aufgrund der Schwierigkeit, Röntgen- oder VUV-Photonen mit hoher Auflösung und Empfindlichkeit zu detektieren, auf etwa 0, 5 eV begrenzt. Überraschenderweise wurden solche Instrumente seit Ende der 1970er Jahre ohne wesentliche Verbesserung eingesetzt.

Wir haben erstmals eine inverse Photoemissionsspektroskopie im nahen Ultraviolettbereich (NUV) gezeigt (Abb. 1). Die Detektion von NUV-Photonen ermöglicht die Verwendung von hochauflösenden optischen Bandpassfiltern, die die Energieauflösung auf 0, 27 eV verbessern, vergleichbar mit den am besten erzielten Werten der vorhandenen Geräte. Durch Detektion von NUV-Licht können Messungen mit Elektronen mit extrem niedriger Energie mit einer kinetischen Energie von weniger als 4 eV durchgeführt werden, wodurch die Schädigung der organischen Proben um einen Faktor von mindestens 1/100 verringert wird, wie in 2 gezeigt. Aufgrund der hohen Auflösung und der geringen Probenschädigung können die unbesetzten Zustände organischer Materialien präzise untersucht werden.

Abbildung 2: Zeitabhängigkeit von IPES-Spektren, die den Strahlungsschaden von Kupferphthalocyaninproben zeigen. Bei diesem neuen Verfahren werden auch nach 14 Stunden keine signifikanten spektralen Änderungen beobachtet, während bei dem vorherigen Verfahren offensichtliche spektrale Änderungen aufgrund der Probenverschlechterung erst nach 10 Minuten beobachtet werden. Es wird erwartet, dass diese neue Methode als Standardmethode für das Screening neuer organischer Materialien bei der Entwicklung organischer Halbleiterbauelemente, wie z. B. organischer Leuchtdioden (OLED) und organischer Photovoltaikzellen, weit verbreitet ist. Weitere, genaue und zuverlässige Informationen zu den nicht besetzten Zuständen sind unabdingbar, um vorhandene Geräte zu verbessern oder neue zu entwickeln. Das neue Verfahren kann die Entwicklung organischer Halbleiterbauelemente erheblich beschleunigen.