Een team natuurkundigen heeft bewezen, dat ook de elektronen in de grote moleculen (zoals in organische halfgeleiders) met een hoge mate van nauwkeu-righeid door aparte orbitalen kunnen worden beschreven. Een werkgroep aan de Univer-sität Bayreuth kon aantonen, dat dit sterk afhankelijk is van de manier waarop de orbitalen worden berekend. De theore-tische voorspelling werd door spectroscopische metingen aan de Universität Würzburg en de Universiteit van Hiroshima bevestigd.
Deze overeenkomst van theorie en experiment stimuleert de onderzoekers om andere theoretische concepten verder te ontwikkelen waarmee ze de eigenschappen van de elektronen nog nauwkeuriger te kunnen bepalen. Ze verkrijgen aldus inzage in de elektronische eigenschappen van materialen met voordelen voor nieuwe halfgeleidertechnologieën, onder meer voor efficiënte processen voor energieopwekking.
Orbitalen
Moleculaire halfgeleiders vormen het hart van talrijke nieuwe technologieën zoals organische zonnecellen. De doorontwikkeling van deze technologieën wordt effectiever, naarmate de nauwkeurigheid van de structuren van de organische halfgeleidermaterialen verbetert. De eigenschappen van de elektronen vormen daarbij een sleutel voor verbeterde begripsvorming.
In elk molecuul vormen de elektronen een schil, die de kern van de chemisch gebonden atomen omhult. Hoe lager de energieniveaus van de elektronen, des te dichter liggen ze in het centrum van het molecuul opgesloten. Elektronen met een hoger energieniveau bevinden zich verder aan de buitenkant in het randgebied van een molecule. Juist deze buitenste elektronen bepalen de eigenschappen van het molecuul, zodat het belangrijk is dat deze theoretisch correct worden beschreven.
Nu is het op fundamentele gronden onmogelijk om de exacte verblijfplaats van de elektronen nauwkeurig te bepalen. Het fysieke onderzoek kan slechts gebieden definiëren, waarin zich met een hoge van waarschijn-lijkheid elektronen bevinden. Deze gebieden, die als orbitalen worden aangeduid, kunnen theoretisch worden berekend. Daarnaast levert foto-elektronen spectroscopie (PES) empirische data, waarmee het mogelijk is om dergelijke gebieden in de ruimtelijke structuur te reconstrueren. Hiermee kan een grafische voorstelling van de orbitalen worden gemaakt.
Organische halfgeleiders
Voor kleine moleculen komen de theoretisch berekende en experimenteel bepaalde orbitalen vaak overeen. Maar bij technologisch interessante grote moleculen zoals organische halfgeleiders is er in de regel geen sprake van een dergelijke overeenkomst.
De fysici konden in het kader van de ‘density functional theory’ een concept ontwikkelen, dat het mogelijk maakt om de orbitalen van elektronen met een hoge mate van nauwkeurigheid te berekenen. Aansluitend hebben ze de resultaten van de berekeningen vergeleken met die van het fysieke onderzoek van andere theoretische benaderingen.
Fysische onderzoeken van moleculen van een organische halfgeleider. Links een orbital, berustend op theoretische berekeningen van de Universität Bayreuth. De gebieden waarin zich met grote waarschijnlijkheid elektronen ophouden, zijn rood. Rechts een afbeelding van dezelfde orbital op basis van empirische data uit spectroscopisch onderzoek aan de Universität Würzburg.
De verschillen waren opmerkelijk. Om aan te tonen, dat de in Bayreuth ontwikkelde berekeningsprocessen nauwkeurige voorspellingen mogelijk maken, was vergelijking met experimentele resultaten zoals met krachtige spectroscopische onderzoeken van groot belang. Daarom hebben de onderzoekers samenwerking met onderzoeksgroepen in Würzburg en Hiroshima gezocht. De onderzoeken met PES aan organische halfgeleiders in Würzburg bevestigen de berekeningen uit Bayreuth. De orbitalen, die voor elektronen in de randgebieden van deze moleculen theoretisch werden voorspeld, komen overeen met de orbitalen, die op basis van empirische data konden worden gevisualiseerd.
