Coordinated research and projects

Mittelhessen wird als Forschungs- und Bildungsregion noch attraktiver und international sichtbarer.

Beispiele für derartige Hybridmaterialien sind neuartige Solarzellen, organische Feldeffekttransistoren oder Biosensoren. Trotz ihrer enormen Bedeutung hinkt unser mikroskopisches Verständnis der Struktur und Dynamik vergrabener, innerer Grenzflächen dem Verständnis der Volumen- und Oberflächeneigenschaften der Materialien aber weit hinterher. Hauptursache für diese Wissenslücke ist die experimentelle Schwierigkeit, die schwache Signatur der Grenzfläche zu detektieren und vom dominierenden Volumen zu isolieren.

Ziel des Sonderforschungsbereichs "Struktur und Dynamik innerer Grenzflächen" ist es, diese Lücke in enger Zusammenarbeit zwischen chemischer Synthese, Halbleiterphysik, Oberflächenphysik und -chemie, Strukturanalyse und Laserspektroskopie zu schließen. Im Vordergrund der Untersuchungen werden dabei zunächst keine konkreten Funktionsmaterialien stehen, da diese in der Regel über viele, oft nicht gut definierte Grenzflächen verfügen. Es sollen vielmehr eigens entwickelte Modellsysteme mit einzelnen, speziell präparierten inneren Grenzflächen auf der atomaren Skala strukturell charakterisiert und ihre optischen und elektronischen Eigenschaften systematisch studiert werden. Damit soll für unterschiedliche Klassen von Heterogrenzflächen erreicht werden, dass die chemische Bindung, die elektronische Kopplung und der Energietransfer mikroskopisch genau bekannt und soweit möglich vorhersagbar wird. Mittel- und langfristig soll dieses Wissen dann genutzt werden, um Grenzflächen für neue Anwendungen maßzuschneidern und so Materialien und Bauelemente mit neuartigen Eigenschaften und Funktionalitäten herstellen zu können.

Als ein fachlicher Schwerpunkt wird die gitterangepasste Integration metastabiler III/V-Halbleiter mit direkter Bandstruktur auf Si-Substrate verfolgt, was künftige Anwendungen in der Photonik und in der Elektronik revolutionieren wird. Bis vor kurzem waren beispielsweise Computeranwender daran gewöhnt, dass mit jeder Rechnergeneration die Geschwindigkeit der Geräte steigt. Dies ist jedoch aufgrund fundamentaler physikalischer Limitierungen in Zukunft nicht mehr möglich. Aus diesem Grund ist die Entwicklung eines Lasers auf Silizium-Substrat für die Inter- und Intra-Chip-Kommunikation ein Thema des Graduiertenkollegs. Die Taktraten so funktionalisierter Silizium-Bauelemente können sich dann wieder steigern. Um dieses Ziel zu erreichen, arbeiten Gruppen, die sich mit der Synthese geeigneter metallorganischer Verbindungen für die Abscheidung beschäftigen, eng mit Gruppen zusammen, die die Abscheidung vornehmen, die Anbindung der Moleküle auf die Unterlage theoretisch und experimentell studieren und dann die resultierenden Strukturen strukturell und optisch charakterisieren. Sowohl zur Herstellung als auch zur Charakterisierung der Strukturen werden Methoden der Hochtechnologie eingesetzt.

Ein weiteres Thema des Graduiertenkollegs ist die Synthese von Halbleiter-Nanopartikeln und die Integration spezieller organischer Moleküle auf deren Oberflächen. Die Nanopartikel sollen dann wiederum gezielt mittels sich selbst anordnenden - assemblierenden - Monolagen auf Halbleitern fixiert werden. Mit diesen Strukturen sind neuartige Bauelemente, wie zum Beispiel ortsselektive, lichtgesteuerte Schalter möglich. Ein weiteres Anwendungsfeld ist die Synthese molekularer Cluster, die nichtlinear-optische Eigenschaften besitzen. Auch in diesem Themenbereich kooperieren synthetische Chemiker mit Halbleiterphysikern und Oberflächenphysikern in einem interdisziplinären Forschungsprogramm.

Hochgeordnete van-der-Waals gebundene Einkristalle aus kleinen Molekülen sind hervorragend geeignete Modellsysteme. Solche exemplarischen Studien erlauben zum einen fundamentale Einsichten wie Art und Umfang von Delokalisierung optischer Anregungen. Zum anderen erlauben sie Rückschlüsse auf die Leistungsfähigkeit bisheriger und Vorhersagen über die Optimierung zukünftiger organischer optoelektronischer Bauelemente.

Experimentellen Zugang bieten polarisationsaufgelöste Experimente mit hoher räumlicher Auflösung. Zunächst soll mittels linearer Absorptionsspektroskopie und verwandten Techniken die energetische Lage und der Charakter einzelner Übergänge in den verschiedenen Polymorphen identifiziert werden und mit theoretischen Rechnungen verglichen werden. Dabei werden spinverbotene Übergänge durch anlegen statischer magnetischer Felder optisch adressierbar. Darüber hinaus werden mittels Anrege-Abfrage-Spektroskopie und zeitaufgelöster Photolumineszenz mit spektral selektiver Anregung die unterschiedlichen Relaxationsmechanismen und ihr Zusammenhang mit der molekularen Orientierung in den einzelnen Kristallstrukturen untersucht. Die Dynamik erlaubt dabei z.B. direkte von indirekten Übergängen im Impulsraum zu unterscheiden. Besonderes Augenmerkt liegt hierbei auf dem mikroskopischen Mechanismus der Exzitonenvervielfachung (Singlet-Exciton Fission), bei der eine Singulett-artige Anregung in zwei Triplett-Zustände zerfällt und somit die Anzahl der angeregten Ladungen verdoppelt. Darüber hinaus wird der Einfluss von verstärkter Nächster-Nachbar-Wechselwirkung auf Exzimerbildung und die entsprechenden Gitterverzerrungen durch systematische Variation der Moleküle durch Perfluorierung und Deuterieren untersucht.