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Institut für Festkörperphysik

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Forschungsprojekte

Horizon 2020: Ultra-high Charge Carrier Mobility to Elucidate Transport Mechanisms in Molecular Semiconductors

UHMob is a multi-site European Training Network (ETN) aimed at enabling multidisciplinary and cross-sectoral training and research on a hot topic at the interface between Materials Chemistry, Nanoscience, Spectroscopy, Crystallography, Physics, and Optoelectronics. The mission of UHMob is to widen the career perspectives of Early-Stage Researchers (ESRs), in academic and industrial sectors, in the economical, environmental, and societal important field of organic electronics. With the goal to train 15 ESRs, 6 universities, 2 research centres, and 2 companies in Europe will join their forces. The University of Kyoto, that has a unique expertise, will complement the consortium and will further increase the international dimension of the UHMob. The intensive training program, that largely takes advantage of secondments, is supported by recent scientific breakthroughs of UHMob partners to offer to ESRs the opportunity to carry research at the forefront of Science. Specifically, the scientific objective of UHMob is to gain a fundamental understanding of charge transport mechanisms in molecular semiconductors. To this goal, best-performing and well-characterized materials will be studied by a complementary set of methods, including evidently field effect transistors but also optical methods such as terahertz spectroscopy, field-induced time resolved microwave conductivity. UHMob will also explore the coupling of molecular semiconductors with the vacuum electromagnetic field, that is a radically new physical concept which holds great promises to modulate optoelectronic properties of materials.

Tuning the Interaction Strength of Inorganic/Organic Interfaces       >> mehr >>

Interfaces between inorganic materials and organic molecules are highly interesting the viewpoint of fundamental science, interesting since the flexibility of organic chemistry allows systematically tuning the strength of the interaction between the two components. While for unreactive, semiconducting substrates, the charge in the organic material is found to be strongly localized, for weakly reactive, metallic substrates, the charge is found to be completely delocalized. At present unclear, however, is how, e.g., degenerately doped semiconductors, which show quasi-metallic conductivity, fit into this classification.

In this project, we will study by means of first principle calculations (density functional theory and beyond) (a) how the localization of charge is affected for a given interface as the nature and strength of the substrate/adsorbate interaction is gradually modified, and (b) how this affects observables at the interface. To this aim, we will investigate the adsorption of small, conjugated organic molecules on semiconductors with different doping concentrations and metals which reactivity will be modified through alloying.

Peer-reviewed publicatons:

  • Erker, S. & Hofmann, O. T. Fractional and Integer Charge Transfer at Semiconductor/Organic Interfaces: The Role of Hybridization and Metallicity. J. Phys. Chem. Lett. 848–854 (2019). doi: 10.1021/acs.jpclett.8b03857.
    This document is the unedited Author's version of a Submitted Work that was subsequently accepted for publication in The Journal of Physical Chemistry Letters, copyright © American Chemical Society after peer review. To access the final edited and published work see https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.8b03857

  • Gerbert, D., Hofmann, O. T. & Tegeder, P. Formation of Occupied and Unoccupied Hybrid Bands at Interfaces between Metals and Organic Donors/Acceptors. J. Phys. Chem. C 122, 27554–27560 (2018).
    This document is the unedited Author's version of a Submitted Work that was subsequently accepted for publication in The Journal of Physical Chemistry C, copyright © American Chemical Society after peer review. To access the final edited and published work see https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.8b09606

  • Harivyasi, S. S., Hofmann, O. T., Ilyas, N., Monti, O. L. A. & Zojer, E. van der Waals Interaction Activated Strong Electronic Coupling at the Interface between Chloro Boron-Subphthalocyanine and Cu(111). J. Phys. Chem. C 122, 14621–14630 (2018), doi: 10.1021/acs.jpcc.8b03675

  • Wruss, E., Zojer, E. & Hofmann, O. T. Distinguishing between Charge-Transfer Mechanisms at Organic/Inorganic Interfaces Employing Hybrid Functionals. J. Phys. Chem. C 122, 14640–14653 (2018), doi: 10.1021/acs.jpcc.8b03699
    This document is the unedited Author's version of a Submitted Work that was subsequently accepted for publication in The Journal of Physical Chemistry C, copyright © American Chemical Society after peer review. To access the final edited and published work see https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcc.8b03699

  • Hofmann, O. T. et al. Orientation-Dependent Work-Function Modification Using Substituted Pyrene-Based Acceptors. J. Phys. Chem. C 121, 24657–24668 (2017), doi: 10.1021/acs.jpcc.7b08451

  • Erker, S., Rinke, P., Moll, N. & Hofmann, O. T. Doping dependence of the surface phase stability of polar O-terminated (0001̅) ZnO. New J. Phys. 19, 083012 (2017), doi: 10.1088/1367-2630/aa79e7

  • Hofmann, O. T. & Rinke, P. Band Bending Engineering at Organic/Inorganic Interfaces Using Organic Self-Assembled Monolayers. Adv. Electron. Mater. 3, 1600373 (2017), doi: 10.1002/aelm.201600373

FRNS/FWO-project: From 2D to 3D crystals      >> mehr >>

The project ‘2Dto3D’ will address unanswered questions in this field, such as "How many polymorphs has a given compound?" or "What drives polymorph selection?". Researchers will explore the occurrence of substrate-induced polymorphism, i.e. the formation of polymorphs that exist only near solid substrates, to gain a fundamental understanding of this intriguing phenomenon.

Thermisches Verhalten von OLEDs: Eine ganzheitliche Betrachtung      >> mehr >>

Während es dank intensiver Bemühungen seitens der akademischen und industriellen Forschung gelungen ist, die Technologie der organischen Leuchtdioden (OLED) am Markt zu etablieren, verbleiben nachwievor fundamentale Herausforderungen. Dies müssen überwunden werden, um das volle Potential dieser Technologie auszuschöpfen. Besonders für Anwendungen als Beleuchtungsmittel sind die bisher kaum behandelten thermischen Eigenschaften der Bauelemente entscheidend, wobei im Gegensatz zu klassischen LEDs aufgrund der materialspezifischen physikalischen Prozesse in organischen Halbleitern eine leicht erhöhte Betriebstemperatur durchaus von Vorteil sein kann. Ziel dieses Projektes ist es, durch eine ganzheitliche Material- und Bauelementeparameter enthaltende Beschreibung des Verhaltens einer OLED mit Hilfe theoretischer und experimenteller Methoden eine ganzheitliche Material- und Bauelementeparameter enthaltende Beschreibung des Verhaltens einer OLED zu entwickeln und mittels dieser Modellierung die optimale Betriebstemperatur zu bestimmen.

Christian Doppler Labor für Stofftransport durch Papier      >> mehr >>

Dieses CD-Labor erforscht verschiedene Fragestellungen der Porosität von Papier. Diese reichen von der Entlüftung von Papiersäcken bei deren Befüllung bis zur Wanderung von Mikroorganismen durch Papier im Bereich der Lebensmittelsicherheit.

Papier ist ein häufig eingesetztes Verpackungsmaterial, da es mechanische Stabilität mit günstiger Produktion und umfassender Nachhaltigkeit kombiniert. Im Zentrum dieses CD-Labors steht die Porosität als weitere Haupteigenschaft von Papier, welche für Verpackungen, aber auch für Druckpapiere von zentraler Bedeutung ist.
Dieses CD-Labor hat zum Ziel, die papiereigene Porenstruktur zu verstehen und den Einfluss dieser Porenstruktur auf den Transport von beispielsweise Luft, Lösungsmitteln und Verpackungsgütern durch Papier zu erklären. Dieses grundlegende Verständnis ist eine zwingende Voraussetzung, um die Porosität von Papier rasch optimal an eine gewünschte Anwendung anpassen zu können. Um dies zu erreichen, werden mathematische Modellierungen mit praktischen Experimenten an entsprechenden Modellsystemen kombiniert. Am Beginn steht dabei die Aufklärung der Porenstruktur von Papier auf mikroskopischer Ebene. Darauf aufbauend sollen mathematische Modelle entwickelt werden, mit deren Hilfe verschiedene relevante Transportvorgänge diverser Teilchenarten durch Papier wissenschaftlich untersucht werden. Ziel dieser Modellierung ist die Vorhersage, wie die einzelnen Transportvorgänge von der zugrundeliegenden Porenstruktur bestimmt werden. Solche Vorgänge umfassen beispielsweise den Sauerstoffaustausch unter Lagerbedingungen, die Trocknungsgeschwindigkeit von Tintentropfen während der Bedruckung, oder Entlüftungsvorgänge bei der Befüllung von Schüttgut in Papiersäcke. In der Folge können damit die für eine gewünschte Verpackungsanwendung entscheidenden Eigenschaften der Porenstruktur benannt bzw. vorhergesagt werden. Daher werden im Rahmen dieses Forschungsprojekts auch gezielt Methoden zur Messung dieser Eigenschaften entwickelt. Die erarbeiteten Methoden werden auch auf den Bereich der Lebensmittelsicherheit übertragen. Zentral dafür ist die Frage ob und unter welchen Umständen organische Verunreinigungen bzw. Mikroorganismen sich effizient durch Papier bewegen. Die so gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen die Entwicklung von Konzepten zur Modifikation von Papier zur Verbesserung bestehender Anwendungen oder für gänzlich neue Produkte.

Christian Doppler Labor für Stofftransport durch Papier      >> mehr >>

Dieses CD-Labor erforscht verschiedene Fragestellungen der Porosität von Papier. Diese reichen von der Entlüftung von Papiersäcken bei deren Befüllung bis zur Wanderung von Mikroorganismen durch Papier im Bereich der Lebensmittelsicherheit.

Papier ist ein häufig eingesetztes Verpackungsmaterial, da es mechanische Stabilität mit günstiger Produktion und umfassender Nachhaltigkeit kombiniert. Im Zentrum dieses CD-Labors steht die Porosität als weitere Haupteigenschaft von Papier, welche für Verpackungen, aber auch für Druckpapiere von zentraler Bedeutung ist.
Dieses CD-Labor hat zum Ziel, die papiereigene Porenstruktur zu verstehen und den Einfluss dieser Porenstruktur auf den Transport von beispielsweise Luft, Lösungsmitteln und Verpackungsgütern durch Papier zu erklären. Dieses grundlegende Verständnis ist eine zwingende Voraussetzung, um die Porosität von Papier rasch optimal an eine gewünschte Anwendung anpassen zu können. Um dies zu erreichen, werden mathematische Modellierungen mit praktischen Experimenten an entsprechenden Modellsystemen kombiniert. Am Beginn steht dabei die Aufklärung der Porenstruktur von Papier auf mikroskopischer Ebene. Darauf aufbauend sollen mathematische Modelle entwickelt werden, mit deren Hilfe verschiedene relevante Transportvorgänge diverser Teilchenarten durch Papier wissenschaftlich untersucht werden. Ziel dieser Modellierung ist die Vorhersage, wie die einzelnen Transportvorgänge von der zugrundeliegenden Porenstruktur bestimmt werden. Solche Vorgänge umfassen beispielsweise den Sauerstoffaustausch unter Lagerbedingungen, die Trocknungsgeschwindigkeit von Tintentropfen während der Bedruckung, oder Entlüftungsvorgänge bei der Befüllung von Schüttgut in Papiersäcke. In der Folge können damit die für eine gewünschte Verpackungsanwendung entscheidenden Eigenschaften der Porenstruktur benannt bzw. vorhergesagt werden. Daher werden im Rahmen dieses Forschungsprojekts auch gezielt Methoden zur Messung dieser Eigenschaften entwickelt. Die erarbeiteten Methoden werden auch auf den Bereich der Lebensmittelsicherheit übertragen. Zentral dafür ist die Frage ob und unter welchen Umständen organische Verunreinigungen bzw. Mikroorganismen sich effizient durch Papier bewegen. Die so gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen die Entwicklung von Konzepten zur Modifikation von Papier zur Verbesserung bestehender Anwendungen oder für gänzlich neue Produkte.

Christian Doppler Labor f¨r Stofftransport durch Papier      >> mehr >>

Dieses CD-Labor erforscht verschiedene Fragestellungen der Porosität von Papier. Diese reichen von der Entlüftung von Papiersäcken bei deren Befüllung bis zur Wanderung von Mikroorganismen durch Papier im Bereich der Lebensmittelsicherheit.

Papier ist ein häufig eingesetztes Verpackungsmaterial, da es mechanische Stabilität mit günstiger Produktion und umfassender Nachhaltigkeit kombiniert. Im Zentrum dieses CD-Labors steht die Porosität als weitere Haupteigenschaft von Papier, welche für Verpackungen, aber auch für Druckpapiere von zentraler Bedeutung ist.
Dieses CD-Labor hat zum Ziel, die papiereigene Porenstruktur zu verstehen und den Einfluss dieser Porenstruktur auf den Transport von beispielsweise Luft, Lösungsmitteln und Verpackungsgütern durch Papier zu erklären. Dieses grundlegende Verständnis ist eine zwingende Voraussetzung, um die Porosität von Papier rasch optimal an eine gewünschte Anwendung anpassen zu können. Um dies zu erreichen, werden mathematische Modellierungen mit praktischen Experimenten an entsprechenden Modellsystemen kombiniert. Am Beginn steht dabei die Aufklärung der Porenstruktur von Papier auf mikroskopischer Ebene. Darauf aufbauend sollen mathematische Modelle entwickelt werden, mit deren Hilfe verschiedene relevante Transportvorgänge diverser Teilchenarten durch Papier wissenschaftlich untersucht werden. Ziel dieser Modellierung ist die Vorhersage, wie die einzelnen Transportvorgänge von der zugrundeliegenden Porenstruktur bestimmt werden. Solche Vorgänge umfassen beispielsweise den Sauerstoffaustausch unter Lagerbedingungen, die Trocknungsgeschwindigkeit von Tintentropfen während der Bedruckung, oder Entlüftungsvorgänge bei der Befüllung von Schüttgut in Papiersäcke. In der Folge können damit die für eine gewünschte Verpackungsanwendung entscheidenden Eigenschaften der Porenstruktur benannt bzw. vorhergesagt werden. Daher werden im Rahmen dieses Forschungsprojekts auch gezielt Methoden zur Messung dieser Eigenschaften entwickelt. Die erarbeiteten Methoden werden auch auf den Bereich der Lebensmittelsicherheit übertragen. Zentral dafür ist die Frage ob und unter welchen Umständen organische Verunreinigungen bzw. Mikroorganismen sich effizient durch Papier bewegen. Die so gewonnenen Erkenntnisse ermöglichen die Entwicklung von Konzepten zur Modifikation von Papier zur Verbesserung bestehender Anwendungen oder für gänzlich neue Produkte.

DACH project: New design strategies for tuning electrode properties by self-assembled monolayers      >> mehr >>

Chemically anchored self-assembled monolayers (SAMs) play a crucial role in the area of organic and molecular electronics. They are usually used to modify the electronic properties of interfaces or to act as the active elements of nano-scale devices. Of particular interest in this context are SAMs bonded to metal-electrodes, which, when substituted with polar units at their tails, modify charge-carrier injection. A complication in that context is that due to the dipole-dipole repulsion, SAM-formation in such layers becomes a challenge.

To overcome that problem, we will design novel types of SAMs, where the layers are stabilized either by reducing dipole-dipole repulsion via distributing the dipolar units or by inducing hydrogen-bonds between the SAM-forming molecules. To realize the latter approach, we will study systems related to dye molecules like indigo or quinacridone. For such molecules bonded to metal surfaces, e.g., via thiolate anchors, we expect novel properties like work-function modifications of unprecedented magnitude as well as peculiar electronic characteristics arising from the intra-layer chemical and electrostatic coupling. To realize the full potential of the planned research, we will combine the ideally complementary expertise of six research groups: A. Terfort (Univ. Frankfurt) and co-workers will synthesize the required molecules either with distributed dipole moments or the H-bond network forming dyes. M. Zharnikov (Univ. Heidelberg) and his group will devise optimized strategies for growing such SAMs on metal substrates, characterize their structural electronic properties, and together with the group of R. Resel (TU Graz) will study the growth of organic semiconductors on modified electrodes. E. Zojer (TU Graz) and his co-workers will use atomistic modeling to identify the most promising molecular structures guiding the synthetic efforts and to explain experimental observations. K. Zojer (TU Graz) and her students will model, how SAM-modified electrodes are expected to change the charge carrier injection into organic thin-film transistors paying special attention to the role of inhomogenieties in the films’ electronic properties. Finally, the SAMs designed in this project will be applied in actual device-structures by B. Stadlober and her group (Joanneum Research).

All above mentioned research efforts will be intimately linked in close feedback-loops guaranteed by several levels of information exchange. From the tight integration of so many different approaches we expect an unprecedented level of understanding of the electronic and structural properties of the studied systems. This has the potential to significantly impact the way one thinks about self-assembled monolayers and to promote their use in actual organic electronic devices. Moreover, the multi-disciplinary approach and the stimulating research environment will hugely broaden the scientific perspectives of all involved scientists, in particular the students.

FWF Projekt: Verständnis der transienten Charakteristik organischer Transistoren      >> mehr >>

This project utilizes transport simulations to explore to which extent the turn-on and the turn-off behavior of an organic transistor is limited by the need to overcome a barrier for charge carrier injection. Particular attention is paid to the impact of the device architecture.

Marie-Curie ITN: THINFACE      >> mehr >>

The project comprising 5 university partners, 1 research organization, and two full as well as four associated industrial partners deals with the development and optimization of next generation energy-saving and generating devices. The focus lies on organic/inorganic hybrid systems spanning the full range from advanced quantum-modelling to device fabrication and testing.

Computational Material Design with DFT and Machine Learning      >> mehr >>

The Hofmann group is a small, dynamic computational group that studies the structural and physical properties of inorganic/organic hybrid interfaces. Located at the Institute of Solid State Physics, the activities of the group are between that of a pure theory and that of an experimental group: We engage in method development and implementation (both into our own machine-learning algorithm, SAMPLE, and into the widespread DFT code FHI-aims) as well as in “computer experiments”, where we apply state-of-the-art methods to realistic, technologically relevant interfaces. Thereby, we support – and are in turn supported – by numerous renowned theoretical and experimental groups in Europe and around the globe. Our research interests include


  • Structure Determination and Prediction
  • Polymorphism and Metastable Phases
  • Phase Diagrams and Phase Transformations
  • Charge and Energy Transfer Across Interfaces
  • Adsorption Processes of Organic Molecules
  • Defects in Organic Monolayers
  • Spontaneous Symmetry Breaking in Adsorbate Layers
  • Doping and Long-Range Band-Bending in Semiconductors

which we study (mostly) with the these techniques:

    Density Functional Theory (semilocal and hybrid functionals)
  • Band Structure Calculations
  • Machine Learning (mostly Gaussian Process Regression)
  • Ab-initio Thermodynamics
  • Charge-Reservoir Electrostatic Sheet Technique (a QM/MM approach)


      For more information and information about PhD, master, and bachelor projects, visit our website

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The Hofmann group is a small, dynamic computational group that studies the structural and physical properties of inorganic/organic hybrid interfaces. Located at the Institute of Solid State Physics, the activities of the group are between that of a pure theory and that of an experimental group: We engage in method development and implementation (both into our own machine-learning algorithm, SAMPLE, and into the widespread DFT code FHI-aims) as well as in “computer experiments”, where we apply state-of-the-art methods to realistic, technologically relevant interfaces. Thereby, we support – and are in turn supported – by numerous renowned theoretical and experimental groups in Europe and around the globe. Our research interests include


  • Structure Determination and Prediction
  • Polymorphism and Metastable Phases
  • Phase Diagrams and Phase Transformations
  • Charge and Energy Transfer Across Interfaces
  • Adsorption Processes of Organic Molecules
  • Defects in Organic Monolayers
  • Spontaneous Symmetry Breaking in Adsorbate Layers
  • Doping and Long-Range Band-Bending in Semiconductors

which we study (mostly) with the these techniques:

    Density Functional Theory (semilocal and hybrid functionals)
  • Band Structure Calculations
  • Machine Learning (mostly Gaussian Process Regression)
  • Ab-initio Thermodynamics
  • Charge-Reservoir Electrostatic Sheet Technique (a QM/MM approach)


      For more information and information about PhD, master, and bachelor projects, visit our website

TUG Initial Funding Program: Skin-contact Activity Monitoring with Smart Electronic Tattoo      >> mehr >>

The long-term objective of this project is to investigate materials and processes in order to develop a new generation of unperceivable, Ultra-Conformable (UC) electronic systems on ultra-thin (sub-micrometric) films, that can be released from a temporary substrate onto the human skin - as in the case of temporary tattoos or stamps - for monitoring physiological parameters during sports activities.

The electronic tattoo will act as self-standing and autonomous system, embedding several electronic components, being able to simultaneously sense various bio-related parameters, elaborate/store information and communicate data through visual outputs.

Organic electronic materials will be used as building blocks of electronic devices, making use of printed electronics techniques.

Since extremely low thickness is the key point to reach ultra-conformability and conformal adhesion to arbitrary surfaces, ultra-thin systems onto ultrathin transferrable polymer substrates (<500-1000 nm) is targeted.

The specific tasks of IF TUGraz in this overall framework will regard the investigation and development of suitable:
• substrate materials (e.g. tattoo paper, polymer nanosheets) and release strategies
• flexible external connectors
• flexible/stretchable metal interconnectors
• skin contact electrodes based on conducting polymers
• VIAs (Vertical Interconnect Access) technology on tattoo for multilayered device
• organic photodetectors

Contact: Francesco Greco

Reliably modeling the electronic structure of self-assembled monolayers      >> mehr >>

The goal of this project is to reliably predict the electronic properties of Self-Assembled Monolayers (SAMs) by means of quantum-mechanical methods. On the one hand, we try to account for shortcomings of the used computational approach (density-functional theory) and to account for the impact of disorder; on the other hand, we intend to understand, how to reliably predict physical observables and how to understand the impact of collective electrostatic effects on the electronic properties of self-assembled monolayers.

Publications

FWF - Projekt: Lösung von Kristallstrukturen von dünnen Filmen: Indizierung und epitaktische Kristallite       >> mehr >>

Die Lösung von Kristallstrukturen von dünnen Filmen ist für die Anwendung von organischen Materialien relevant. Unbekannte polymorphe Kristallstrukturen können entstehen, wenn Oberflächen während des Kristallisationsprozesses vorliegen. Derartige „oberflächen induzierte Kristallstrukturen“ sind insbesondere in der organischen Elektronik aber auch in der Pharmazie von Bedeutung, da eine deutliche Verbesserung der Eigenschaften für Anwendungen beobachtet wurde. Die Lösung der Kristallstrukturen wird in einer Kombination aus experimentellen Methoden und theoretischen Rechnungen durchgeführt indem Beugung von Röntgenstrahlung unter streifenden Einfall (GIXD) mit Modellierung der molekularen Packung kombiniert wird. Dieses Projekt soll zwei offene Probleme des Gebietes der Kristallstrukturlösung dünnen Filme bearbeiten. Das erste Problem betrifft die Zuordnung von Laue Indizes zu Bragg Peaks (die sogenannte Indizierung) um Gitterkonstanten und die Kristallorientierung der Kristalle zu bestimmen. Mathematische Gleichungen für die Entwicklung von Algorithmen müssen hergeleitet werden sodass numerische Methoden entwickelt werden können. Das zweite Problem steht im Zusammenhang mit bi-axial orientierten Kristallen auf Oberflächen, derartige Orientierungen beobachtet man bei epitaktisch gewachsenen Filmen. Die Aufnahme eines kompletten Beugungsbild wird durch eine neuartige experimentelle Methode durchgeführt unter Verwendung von GIXD. Dabei wird die Probe um die Oberflächennormale gedreht und die gebeugte Intensität während einer 360° Rotation integriert, damit kann man vollständige Beugungsbilder von epitaktisch gewachsenen Kristalliten aufnehmen. Große Volumina des reziproken Raumes können so untersucht werden, eine deutliche Verbesserung der experimentellen Daten in Bezug auf Peakposition und Peakintensität wird erwartet. Die Methoden der Kristallstrukturlösung werden an dünnen Filmen des Moleküls 2-decyl-7-phenyl-[1]benzothieno[3,2-b][1]benzothiophen angewandt, ein Molekül mit herausragender Eignung für organischen Dünnfilmtransistoren. Die chemische Struktur des Moleküls zeigt niedrige Symmetrie, daher ist eine starke Tendenz zu Polymorphismus zu erwarten. Eine systematische Variation der Kristallisationsbedingungen durch Lösungsmittelprozessierung und durch Aufdampfen in Vakuum unter Verwendung biaxialer Kristallisation durch orientierte Nukleation und durch gerichtete Kristallisation auf ein-achsigen oder einkristallinen Oberflächen wird die Vielfalt der polymorphen Kristallstrukturen des Moleküles zeigen. Dieses Projekt ist ein Beitrag zum Gebiet der Kristallographie dünnen Filme, da eine definierte Methodik zur Lösung von Kristallstrukturen von dünnen Filmen nicht vollständig entwickelt ist.

Defects in Organic Monolayers       >> mehr >>

Inorganic-organic interfaces present a versatile class of systems, providing the opportunity to achieve intriguing functionalities, e.g. as molecular switches, thermoelectrics, cargo-lifters, memories, or transistors, amongst others. The key to optimizing their functionalities lies in a systematic, fundamental understanding of the geometric and electronic structure of the interface. In many experimental setups or technologically relevant devices, organic materials are deposited as disordered or amorphous material.
Most phenomena occurring at the interface between inorganic electrodes and well-ordered organic materials are reasonably well understood. At the same time, the crucial impact of defects and disorder for e.g., the conduction in organic bulk materials has been recognized. Yet a systematic, assessment from first-principles of the impact of defects for transport properties at the interface is has not yet gained appropriate attention. The reason for this can be, in part, traced back to the high computational effort of jointly describing the defect and the surrounding crystalline layer, as well as to the vast configurational space that gives rise to a potential energy surface (PES) with a huge number of local minima. In the present project, we intent to close this gap and obtain an in-depth understanding of the role of defects and disorder in organic monolayers on various observables, including interface dipole, density of states, and interfacial level alignment.
In close collaboration with experimental partners, we will develop an efficient strategy based on Basin Hopping methods to sample the PES and obtain a set of low-energy structures that are occupied at finite temperature. Coarse-graining the PES by describing the layer as a combination of adsorption structures for isolated molecules that are arranged on a regular meshed imposed on the inorganic substrate allows to track the number of minima and keeps exploring the configurational space tractable. The Basin Hopping will be coupled with an atomistic description via density functional theory to predict the electronic structure at defect-containing interfaces and compare it to ideal, well-ordered structures. For selected model systems, such as the adsorption of the small organic electron acceptor Tetracyanoethene on Cu and ZnO substrates, this will allow answering important question such as: “What is the equilibrium concentration of defect at various temperatures?”, “What are common defect motifs?”, or “How do defects affect the energy-levels of the surrounding material?”.

Kontrolle der Eigenschaften von SAMs durch eingebaute molekulare Dipole      >> mehr >>

project duration: 15.05.2012-14.05.2015

Covalently-bonded self-assembled monolayers (SAMs) on metals have a wide variety of applications ranging from biology, via lithography, corrosion protection and sensing to organic electronic devices. When such SAMs are used for manipulating the electronic properties of surfaces, they usually contain polar chemical units. Typically, these units form the terminal groups of the SAMs, i.e., they are located at the SAM-ambient interface. This is far from ideal, as then changing the dipolar group also changes many SAM properties like its wetting properties or the growth of subsequently deposited layers. To avoid that, in the present project we studied the potential of SAM-forming molecules in which the polar units are “buried” within the molecular backbones. To understand the fundamental properties of such SAMs, we combined a variety of surface-science experiments (conducted primarily in the group of Michael Zharnikov at the Universität Heidelberg) with state of the art quantum-mechanical and molecular dynamics simulations (performed in the group of Egbert Zojer at Graz University of Technology). In the course of our studies, we were indeed able to realize aromatic SAMs with the desired properties which allowed changes of the work-function of a Au substrate by +/- 0.5 eV depending on the orientation of the embedded dipoles and compared to an apolar reference SAM. In these layers the intrinsic film properties could be rationalized at an atomistic level by means of the simulations. This paved the way for further experiments on mixed SAMs containing molecules with different dipole orientations for which a continuous tuning of induced work-function changes could be realized. On more fundamental grounds the above-mentioned study also showed that through a regular arrangement of embedded dipoles on surfaces one is able to locally shift the electrostatic reference energy within the adsorbates. This can be probed efficiently by x-ray photoemission spectroscopy in conjunction with the simulation of core-level shifts. This paved the way for proposing a novel concept for realizing materials with user-defined electronic properties that relies on collective electrostatic effects for realizing, for example, monolayer quantum-well and quantum-cascade structures. Finally, the peculiar charge transport properties through the above-described embedded-dipole SAMs also provided fundamental insight into the properties of molecular electronic devices.

1. A. Kovalchuk, T. Abu-Husein, D. Fracasso, D. A. Egger, E. Zojer, M. Zharnikov, A. Terfort, and R. C. Chiechi,* “Transition Voltages Respond to Synthetic Reorientation of Embedded Dipoles in Self-Assembled Monolayers”, Chemical Science, published on-line, DOI: 10.1039/C5SC03097H
2. Gernot J. Kraberger, David A. Egger, Egbert Zojer,* “Tuning the electronic structure of graphene through collective electrostatic effects”, Adv. Mater. Interfaces, 1500323 (2015). DOI: 10.1002/admi.201500323.
3. T. Abu-Husein, S. Schuster, D. A. Egger, M. Kind, T. Santowski, A. Wiesner, R. Chiechi, E. Zojer,* A. Terfort,* and M. Zharnikov,* “The Effects of Embedded Dipoles in Aromatic Self-Assembled Monolayers”, Adv. Funct. Mater. 25, 3943 (2015). DOI: 10.1002/adfm.201500899.
4. B. Kretz, D. A. Egger, and E. Zojer,* “A toolbox for controlling quantum states in organic monolayers”, Advanced Science, 1400016 (2015). DOI: 10.1002/advs.201400016.
5. V. Obersteiner, D. A. Egger,* G. Heimel, and E. Zojer,* ”Impact of Collective Electrostatic Effects on Charge Transport through Molecular Monolayers”, J. Phys. Chem. C 118, 22395 (2014); doi: 0.1021/jp5084955. Green OA

FWF project “PRO-CVD: Proton conductive copolymers by initiated Chemical Vapor Deposition” (P26993)      >> mehr >>

The projects aim at the vapor deposition of proton conductive copolymers to study the proton conductivity as a function of the chemical composition (ratio among hydrophobic and acid components, type or length of chemical groups) and as a function of the polymer physical properties (e.g. swelling in water, effect of crystalline order, ionic channels formation). The ultimate goal will be to understand how the properties of the copolymers affect the proton conductivity and the stability of the material at high temperature and in wet environment. A vapor-based deposition technique, initiated Chemical Vapor Deposition (iCVD) will be used to synthetize the materials, plus spectroscopic ellipsometry and x-ray based techniques for the characterization.

Charge Injection Layers at Inorganic/Organic Interfaces      >> mehr >>

In organic electronics, charge injection layers (CILs) are commonly added between the inorganic electrode and the active organic material to optimize charge injection (respectively extraction) barriers and exciton lifetimes in organic light emitting devices (OLEDs) or photovoltaic cells (OPVs). Most studies in this field have focused on the effect of the CIL on the effective work function on the substrate. The question how CILs affect the morphology of subsequently deposited organic material and what the effect on eventual charge transfer processes is remains open. Therefore, a density functional theory study based on advanced exchange-correlation functionals (including hybrid and non-local functionals), as well as many-body perturbation theory, such as the GW approach and the random-phase-approximation (RPA), is proposed in which the influence of various CILs on the morphology and electronic levels of the active organic material is analyzed for the example of different combinations of CILs and prototypical organic materials adsorbed on zinc oxide substrates. In collaboration with experimental partners, the mechanisms of bonding and interface dipole formation at technologically relevant interfaces will be investigated.

Defects in Semiconductors      >> mehr >>

Defects play an important role in determining the electrical and optical properties of semiconductors. Defects are also primarily responsible for degradation effects that influence device reliability. Many defects in semiconductors are still poorly understood. We study defects by Electron Beam Induced Current (EBIC) and Electrically Detected Magnetic Resonance (EDMR).

This research is done in cooperation with Infineon Technologies Austria AG and KAI Kompetenzzentrum Automobil- und Industrie-Elektronik GmbH

Contact: Peter Hadley

Marie Curie Fellowship: Smart multi Stimuli-responsive Supports for controlled cell growth (Three S)      >> mehr >>

Initiated Chemical Vapor Deposition (iCVD) is used to synthetize the smart stimuli-responsie material and x-ray based reflectivity techniques to control the response. Cells respond differently to substrates with different stiffnesses. We will develop a light-responsive hydrogel, whose water uptake changes with light irradiation, resulting in stiffness change. The structural changes in the film will be monitored by X-ray scattering and the water uptake changes by X-ray reflectivity (XRR) using humidity controlled cells and temperature-controlled stage.

FWF project: Photophysics and Charge Transport in Hybrid Blends of P3AT and beta-SiC Nanocrystals      >> mehr >>

In this project, we intend to investigate a system using the non-oxidic inorganic wide-band gap semiconductor 3C-SiC (cubic silicon carbide) as the acceptor in an organic poly(3-alkylthiophene) (P3AT) donor matrix. Silicon carbide as acceptor in hybrid cells has been neglected in the past, probably due to its indirect band gap, missing absorption contributions in the visible and expensive production of suitable nanocrystalline material. However, its band energies are suitable to match the HOMO/LUMO of organic donors, which provides a promising outlook for its functionality in hybrid photovoltaics.
Contact: Bettina Friedel

FWF project: Microscopic Inhomogeneities in Solution-Processed Organic Solar Cells       >> mehr >>

The project investigates microscopic inhomogeneities in organic semiconductors. Especially in organic thin film photovoltaics, devices suffer from considerable spatial variations, which have detrimental effects on the local device physics and thus on the entire device performance. One suspected source of origin therefore is the PEDOT:PSS electrode interlayer. Correlated to its sub-micron colloidal morphology, the basic microscale diode physics of organic solar cells are analysed and the effects on the entire device explained with the model of parallel microdiodes. The expected new insights will not only help understanding of the device behaviour of solar cells comprising PEDOT:PSS interlayers, but shall also allow conclusions to other colloidal systems in use and in future, like graphene or nanowires.
Contact: Bettina Friedel

TUG Initial Funding Program: Conductive Viscose-Composite Fibers for Smart Clothing and Skin Applications      >> mehr >>

FWF-Projekt: Oberflächeninduzierte Phasen von Molekülkristallen: Entstehung und Stabilität      >> mehr >>

Polymorphismus ist ein häufig beobachtet Phänomen in Molekülkristallen, es ist die Eigenschaft eines Moleküls unterschiedliche Kristallstrukturen zu bilden. Das vorliegende Projekt beschäftigt sich mit einer wenig beachteten Ursache von Polymorphismus, dem Einfluss einer Oberfläche zur Kristallisation von Molekülen. Die Bildung oberflächeninduzierter Kristallstrukturen wird anhand spezieller stäbchenförmiger konjugierten Moleküle untersucht, diese Moleküle basieren auf Einheiten von Benzothieno-benzothiophen. Dünne Filme werden mittels unterschiedlicher Techniken hergestellt zum einen Teil durch Aufdampfen in Ultrahochvakuum und zum anderen Teil durch lösungsmittelbasierende Herstellungsverfahren wie Auftropfen und Spincoaten. Die experimentellen Parameter zur Kristallisation werden in einem großen Bereich variiert betreffend die Temperatur, Art der Materialaufbringung, Grad der Übersättigung und die gesamte abgeschiedene Materialmenge. Die Kristallisation wird auf ungeordneten Oberflächen wie Siliziumoxid und Polymeroberflächen durchgeführt, die Oberflächen selbst werden verschiedene Eigenschaften in Bezug auf Oberflächenrauhigkeit, -energie und –polarität aufweisen. Die strukturellen Eigenschaften der dünnen Filme werden mittels Methoden der Oberflächenphysik untersucht aber auch Rasterkraftmikroskop, Röntgendiffraktometrie und Infrarotabsorptions-spektroskopie werden angewandt. Ein Teil des Projektes wird sich auch mit der Simulation der molekularen Packung beschäftigen, insbesondere Molekulardynamik wird zur Anwendung kommen. Das Projekt wird Antworten zur Entstehung und Stabilität von oberflächeninduzierten Kristallstrukturen geben. Die Variation der Wachstumsbedingungen wird zeigen welche Präparationsbedingungen für die Bildung oberflächeninduzierter Phasen verantwortlich sind. Untersuchungen zur Bildung der ersten Monolagen werden zeigen, ob die erste Monolage als Benetzungsschicht für das weitere Wachstum von oberflächeninduzierten Kristallstrukturen notwendig ist. Die experimentellen Untersuchungen gemeinsam mit den Simulierungen sollen zeigen welche charakteristische Eigenschaften oberflächeninduzierte Kristallstrukturen aufweisen. In-situ temperaturabhängige Untersuchungen werden zeigen ob oberflächeninduzierte Kristallstrukturen thermodynamisch stabil sind oder wachstumsinduzierte metastabile Zustände darstellen.

Molecular crystals on polar / non-polar surfaces      >> mehr >>

The crystallization of molecules on surfaces depends strongly on the interaction of the molecules with the substrate surface. To get an idea about the influence of electrostatic interactions at the crystallization behavior of organic molecules, a specific combination of molecules and substrates are chosen. The two molecules - ternaphtalene as a non-polar molecule and septithiophene as a weakly polar molecule – are deposited on a polar substrate (Galliumnitride) and a nonpolar substrate (Aluminiumoxide). The Bachelorwork deals with the characterization of the crystallographic properties of thin organic films prepared on these two surfaces. The experimental method is x-ray diffraction pole figure technique and specular x-ray diffraction.
The work is in close collaboration with the Institute of Semiconductor and Solid State Physics, Johannes Kepler University Linz.
In case of interest please contact Roland Resel.

NAWI grant: Conducting Cellulose Fiber Networks for OPV Applications      >> mehr >>

Electronics based on bio-degradable materials is becoming increasingly attractive. Paper, a composite sheet of pressed cellulose fibers, has been considered for substrate in flexible thin film electronics, but so far only with a high density of fillers or with coatings to smoothen the surface and prevent short circuits. In the present study, filler-free paper is used, where each individual cellulose fiber is integrated carrier of an entire diode architecture. Thus shorts are hindered and the photosensitive surface area is additionally increased. Electrical conductivity is achieved by adsorption of silver nanowires to the cellulose fiber surface subsequent to paper formation. Electronic properties of the conductive paper and diodes are investigated, along with surface chemistry and micromorphology.
Contact: Bettina Friedel

TUG Initial Funding Program: Dynamics of SiC-NC:Polymer Blends for Hybrid PV      >> mehr >>

Silicon carbide (SiC) is a valuable interesting candidate for hybrid photovoltaics. In this project, the stability of dispersed SiC-NCs in polymer solutions and the effects on thin film formation are investigated.
Contact: Bettina Friedel

FWF: Organische Dünnfilmtransistoren als chemische Sensoren      >> mehr >>

Projektkurzfassung: Ziel des Projektes ist die Entwicklung neuartiger organischer Dünnfilmtransistoren (OTFTs), die zur Beeinflussung ihrer elektronischen Eigenschaften eine zusätzliche funktionalisierte Dünnschicht zwischen dem Gate-Dielektrikum und der aktiven Schicht enthalten. Insbesondere werden wir uns auf chemisch reaktive Zwischenschichten konzentrieren, die für Sensoranwendungen geeignet sind und die Gegenwart des Analyten in eine Änderung der Kennlinien (insbesondere der Einsatzspannung) des Transistors übertragen. Dies erlaubt die Realisierung neuartiger chemischer oder photochemischer Sensoren b.z.w. Dosimeter. In ersten Voruntersuchungen mit kovalent gebundenen silanbasierten Zwischenschichten wurde bereits eine Verschiebung der Einsatzspannung der Transistoren um 70 V unter NH3 Gas beobachtet. Die Hauptaufgabe des Projekts stellt die Realisierung OTFT basierender Sensoren dar. Um die physikalischen und chemischen Details der involvierten Prozesse aufzuklären, werden allerdings auch eine Vielzahl analytischer Techniken angewendet werden: Diese umfassen eine detailierte elektrische Charakterisierung der Bauelemente und zahlreiche oberflächensensitive Techniken um Schichtdicken, Strukturen und Morphologien sowie chemische Zusammensetzungen der verscheidenen dünnen Filme zu bestimmen. Zusätlich werden auch quantenmechanische Berechnungen an Modellsystemen durchgeführt werden. Die eingesetzten Zwischenschichten bestehen aus: (i) kovalent gebundenen funktionalen Molekülen mit geeigneten Dockinggruppen zur Verankerung am Gate-Dielektrikum, und chemisch reaktiven oder photosensitiven Endgruppen; fürr derartige Zwischenschichten konnten wir in den vergangenen Monaten schon umfassendes Know-how aufbauen (ii) Aufgeschleuderte Polymere als zusätzliche Isolaterschichten mit gleichartigen funktionalen Sensorgruppen. Letztere sollen entweder direkt durch unsere Partner während der Synthese oder später über Oberflächenreaktionen direkt auf der Dünnschicht eingebaut werden. (iii) Langmuir-Blodgett Mono- und Multischichten mit ähnlichen Sensorgruppen. Der Vorteil liegt hier bei der besseren Ordnung im Film und der Möglichkeit kontrolliert Mehrschichtsysteme aufzubauen. Als reaktive funktionelle Gruppen werden Dockinggruppen für Analyten (z.B., Sulfonchloride, Kronenether and unprotische Basen) oder photoisomerisier- oder spaltbare Einheiten verwendet. Das vorliegende Projekt bildet eine Brücke zwischen den beiden großen Forschungsclustern in Österreich, die sich mit organischen Halbleitern beschäftigen: ISOTEC im Rahmen der Nanotechnologieinitiative mit dem Schwerpunkt auf Sensorik, sowie der NFN „Interace Controlled and Functionalized Organic Films“. Durch die thematische Positionierung des beantragten Projektes zwischen diesen beiden Clustern (i.e., auf auf „interface control“ basierende Sensoren) sind enorme Synergieffekte zu erwarten, die sowohl den beiden Clustern, wie auch dem aktuellen Projekt zugute kommen werden.

FWF: Computergestützte Nanowissenschaften      >> mehr >>

Die Bereiche Nanotechnologie und organische Halbleiter sind von besonderem grundlagenwissenschaftlichen aber auch technologischen Interesse. Das vorliegende Projekt zielt auf eine Verbindung dieser beiden Bereiche ab. Dabei sollen Möglichkeiten entwickelt werden, die Eigenschaften organisch/anorganischen Grenzschichten durch den Einsatz kovalent gebundener selbstassemblierter Monolagen (SAM) gezielt einzustellen. Letztere bilden zentrale Elemente in verschiedensten nanoskopischen Bauelementen, wobei sich aufgrund der Manigfaltigkeit der möglichen organischen Moleküle völlig neueartige Anwendungsmöglichkeiten erwarten lassen. Die untersuchten Aspekte sind sowohl für alle Arten organischer elektronischer Bauelemente wie auch für das aufkeimende Feld der molekularen Elektronik von besonderem Interesse. Das Projekt beschäftigt sich in erster Linie mit computergeschtützten auf der Quantenmechanik basierenden Berechnungen der elektronischen Struktur dieser Grenzflächen. Zusätlich wird es aber auch eine enge Zusammenarbeit mit zahlreichen nationalen und internationalen experimentell arbeitenden Gruppen eben. Zwei Zentrale Aspekte der Forschungsarbeit werden dabei sein, wie eine Veränderung der chemischen Struktur der die SAMs aufbauenden Moleküle die Anordnung ihrer elektronischen Zustände relativ zu den Zuständen des metallischen Substrates beeinflusst und wie SAMs dazu eingesetzt werden können, um die Austrittsarbeit von Metallelektroden zu beeinflussen. Die zentralen Themen sind dabei: • Die Entwicklung allgemein gültiger Zusammenhänge zwischen der chemischen Struktur der Moleküle, die die SAM bilden, und den sich ergebenden Eigenschaften der metall-organischen Grenzflächen. Insbesondere werden wir über unsere früheren Forschungsergebnissen hinausgehend SAMs untersuchen, die aus stark unterschiedlich polarisierbaren und/oder quinoiden Molekülen bestehen und wir werden den Einfluss der Schichtstruktur z.B. im Zusammenhang gemischter oder stark verdünnter Monolagen untersuchen. • Wir werden uns mit der Rolle der mikroskopischen Struktur der Substratoberfläche für die Eigenschaften der Metall/SAM Grenzschicht beschäftigen. Neben einer detaillierten Untersuchung der “Chemie” der Bindung zwischen verschiedenen Ankergruppen von SAMs und Metallen, wird ein Schwerpunkt auf der Rolle der Oberflächenmorphologie (z.B. Ad-Atome, Leerstellen oder Unordnung) der Metallsubstrate liegen. • Letztendlich zielen wir auch auf ein Verständnis der elektronischen Struktur organischer Halbleiterschichten ab, die auf SAM-modifizierten Metallsubstraten gewachsen werden, was von besonderem Interesse für den Einsatz von SAMs in Bauelementen ist. Letztendlich geht es darum, im Rahmen eines klar multidisziplinären Projektes, die fundamentalen Grundlagen für einen vielfältig einsetzbaren molekularen “Werkzeugkasten” zu entwickeln, mit dessen Hilfe man die Grenzflächen zwischen Metallen und organischen Halbleitern gezielt kontrollieren kann. contact: Egbert Zojer

Christian Doppler Labor für Oberflächenphysikalische und chemische Grundlagen der Papierfestigkeit      >> mehr >>

Im Rahmen dieses neuen CD-Labors wird die Festigkeit von Faser – Faser Bindungen in Papier untersucht. Sowohl die Oberflächenmorphologie als auch die Oberflächenchemie werden Fächerübergreifend untersucht. Der Laborleiter ist Prof. Robert Schennach vom Institut für Festkörperphysik der Technischen Universität Graz. Eine enge Zusammenarbeit gibt es mit Prof. Wolfgang Bauer vom Institut für Papier und Zellstofftechnik der Technischen Universität Graz und mit Prof. Christian Teichert vom Institut für Physik der Universität Leoben. Durch diese Zusammenarbeit wird die simultane Untersuchung der Faser Morphologie und der Oberflächen- und Grenzflächenchemie ermöglicht. Die Industriepartner sind die Firmen Mondi Packaging in Frantschach, Lenzing AG und Kelheim Fibres.

Kontakt: Robert Schennach