SFB 951/3: Hybrid Inorganic/Organic Systems (HIOS) for Opto-Electronics


Die Fähigkeit Heterostrukturen aus verschiedenen Materialien präzise zu kontrollieren, hat die elektronischen und optischen Technologien der letzten Jahrzehnte revolutioniert. Um den wachsenden Herausforderungen dieser Schlüsseltechnologien zu begegnen, sind jedoch radikal neue Ansätze erforderlich. Dazu hat der SFB ein bahnbrechendes und umfassendes Forschungsprogramm ins Leben gerufen, welches drei sehr unterschiedliche Materialklassen in anorganisch/organischen Hybridsystemen (hybrid inorganic/organic systems - HIOS) mit dem Ziel kombiniert, verbesserte und neuartige opto-elektronische Funktionalitäten zu realisieren. Anorganische Halbleiter zeichnen sich durch eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aus, konjugierte organische Moleküle weisen eine starke Licht-Materie-Wechselwirkung auf und Metall-Nanostrukturen können Licht auf der Nanoskala lokalisieren und leiten. Dementsprechend hat der SFB die grundlegenden chemischen, elektronischen und photonischen Wechselwirkungen in HIOS untersucht und umfassend verstanden. Darüber hinaus wurden neuartige hybridisierte Quantenzustände und gekoppelte Anregungen an den HIOS Grenzflächen entdeckt. Gleichzeitig konnten wir das grundsätzliche Limit der bislang eingesetzten modernen anorganischen Volumenhalbleiter identifizieren. Aufgrund der unvermeidlichen Oberflächenzustände und der Oberflächen-Bandverbiegung entsteht eine passive Zwischenschicht, die die Funktionalität beträchtlich einschränkt.In der kommenden Förderperiode werden wir das äußerst hohe Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis sowie die starke Licht-Materie-Wechselwirkung von atomar dünnen Monolagen von Übergangsmetalldichalkogeniden ausnutzen. Diese haben sich im Laufe der zweiten Förderperiode als ideale anorganische Halbleiterkomponente für die Ziele des SFB erwiesen. Da wir nun HIOS herstellen können, die nur aus der aktiven Region selbst bestehen, eröffnen sich neue Möglichkeiten, die vorher nicht realistisch vorstellbar gewesen wären. Wir werden nun die grundlegenden Wechselwirkungen und opto-elektronischen Eigenschaften dieser Heterostrukturen bestimmen, um eine maximale Kopplung und Funktionalität zu erzielen. Da die vertikale Ausdehnung dieser neuartigen HIOS nur im Bereich eines Nanometers liegt, können wir letztendlich das volle Potenzial von Metall-Nanostrukturen zur plasmonischen Verstärkung der Lichtabsorption und -emission um mehrere Größenordnungen umsetzen. In Kombination mit neuen Generationen unserer einzigartigen molekularen Photoschalter ermöglicht das vom SFB 951 erlangte umfassende Know-how die Entwicklung von HIOS, die den Weg für überragende nanoskalige Bauelemente ebnen. Die Funktionalitäten der avisierten ultra-kompakten Bauelemente umfassen Lichtemission und -detektion mit höchster Modulationsfrequenz, vielfältig kontrollierbare Quantenemission, lokale Chiralitätsmessung, elektronische und optische Multifunktionalität. Sogar die Emulation von Synapsen und Neuronen ist nun in Reichweite.


Projektleitung
Koch, Norbert Prof. Dr. techn. (Details) (Struktur, Dynamik und elektron. Eigenschaften molekul. Systeme)

Laufzeit
Projektstart: 07/2019
Projektende: 06/2023

Zugehörige Teilprojekte
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Forschungsbereiche
Experimentelle Physik der kondensierten Materie, Naturwissenschaften, Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen

Forschungsfelder
Experimentelle Physik, kondensierte Materie, Festkörperphysik, Materialwissenschaften, Oberflächenphysik, Optik, Organische Chemie, Photonik, Physikalische Chemie, Physik molekularer Systeme, Theoretische Physik

Publikationen
2020 (stand 3. März)

G. Ligorio, G. F. Cotella, A. Bonasera, N. Zorn Morales, G. Carnicella, B. Kobin, Q. Wang, N. Koch, S. Hecht, E. J.W. List-Kratochvil, F. Cacialli
Modulating the luminance of organic light-emitting diodes via optical stimulation of a photochromic molecular monolayer at transparent oxide electrode
Nanoscale (2020)
doi: 10.1039/D0NR00724B

L. Grill, S. Hecht
Covalent on-surface polymerization
Nat. Chem. 12, 115 (2020)
doi: 10.1038/s41557-019-0392-9

H. Qiu, Z. Liu, Y. Yao, M. Herder, S. Hecht, P. Samorì
Simultaneous optical tuning of hole and electron transport in ambipolar WSe2 interfaced with a bicomponent photochromic layer: From high-mobility transistors to flexible multilevel memories
Adv. Mater. 1907903 (2020)
doi: 10.1002/adma.201907903

F. Caruso, D. Novko, C. Draxl
Photoemission signatures of nonequilibrium carrier dynamics from first principles
Phys. Rev. B 101 035128 (2020)
doi: 10.1103/PhysRevB.101.035128

M. Raoufi, U. Hörmann, G. Ligorio, J. Hildebrandt, M. Pätzel, E. List-Kratochvil, S. Hecht, D. Neher
Simultaneous effect of UV-radiation and surface modification on the work function and hole injection properties of ZnO thin films
Phys. Status Solidi A 1900876 (2020)
doi: 10.1002/pssa.201900876

N. Mutz, S. Park, T. Schultz, S. Sadofev, S, Dalgleish, L. Reissig, N. Koch, E. J. W. List-Kratochvil, S. Blumstengel
Excited-State Charge Transfer Enabling MoS2/Phthalocyanine Photodetectors with Extended Spectral Sensitivity
J. Phys. Chem. C 124, 2837 (2020)
doi: 10.1021/acs.jpcc.9b10877

D. Reiche, K. Busch, F. Intravaia
Quantum thermodynamics of overdamped modes in local and spatially dispersive materials
Phys. Rev. A 101, 012506 (2020)
doi: 10.1103/PhysRevA.101.012506

C. M. Wolff, L. Canil, C. Rehermann, N. L. Nguyen, F. Zu, M. Ralaiarisoa, P. Caprioglio, L. Fiedler ,M. Stolterfoht, S. Kogikoski Jr., I. Bald, N. Koch, E. L. Unger, T. Dittrich, A. Abate, D. Neher
Perfluorinated self-assembled monolayers enhance the stability and efficiency of inverted perovskite solar cells
ACS Nano (2020)
doi: 10.1021/acsnano.9b03268

J. Hu, N. Aghdassi, Y. Garmshausen, M. Oehzelt, R. Wang, N. Koch, S. Hecht, S. Duhm, I. Salzmann
Dipolar Substitution Impacts Growth and Electronic Properties of para-Sexiphenyl Thin Films
Adv. Funct. Mater. 7, 1903440 (2020)
doi: 10.1002/admi.201901707

A. J. Ramadan, M. Ralaiarisoa, F. Zu, L. A. Rochford, B. Wenger, N. Koch, H. J. Snaith
Revealing the stoichiometric tolerance of lead trihalide perovskite thin films
Chem. Mater. 32, 114 (2020)
doi: 10.1021/acs.chemmater.9b02639

W. Rekab, T. Leydecker, L. Hou, H. Chen, M. Kirkus, C. Cendra, M. Herder, S. Hecht, A. Salleo, I. Mc Culloch, E. Orgiu, P. Samorí
Phototuning selectively hole and electron transport in optically switchable ambipolar transistors
Adv. Funct. Mater. 30, 1908944 (2020)
doi: 10.1002/adfm.201908944

R. Wang, Y. Wang, C. Wu, T. Zhai, J. Yang, B. Sun, S. Duhm, N. Koch
Direct observation of conductive polymer induced inversion layer in n‐Si and correlation to solar cell performance
Adv. Funct. Mater. 30, 1901707 (2020)
doi: 10.1002/adfm.201903440

G. Reecht, N. Krane, C. Lotze, L. Zhang, A. L. Briseno, K. J. Franke
Vibrational excitation mechanism in tunneling spectroscopy beyond the Franck-Condon model
arXiv: 2001.10499

2019 (ab Juli)

C. H. Egerland, K. Busch, F. Intravaia
Polaritonic contribution to the Casimir energy between two graphene layers
Phys. Rev. B 100, 235418 (2019)
doi: 10.1103/PhysRevB.100.235418

P. Storm, M. Kneiß, A. Hassa, T. Schultz, D. Splith, H. von Wenckstern, N. Koch, M. Lorenz, M. Grundmann
Epitaxial κ-(AlxGa1−x)2O3 thin films and heterostructures grown by tin-assisted VCCS-PLD
APL Mater. 7, 111110 (2019)
doi: 10.1063/1.5124231

M. Carroli, D. T. Duong, E. Buchaca Domingo, A. Liscio, K. Börjesson, M. Herder, V. Palermo, S. Hecht, N. Stingelin, A. Salleo, E. Orgiu,* P. Samorì
The role of morphology in optically switchable transistors based on a photochromic molecule / p-type polymer semiconductor blend
Adv. Funct. Mater. 1907507 (2019)
doi: 10.1002/adfm.201907507

D. Christiansen, M. Selig, E. Malic, R. Ernstorfer, A. Knorr
Theory of exciton dynamics in time-resolved ARPES: Intra- and intervalley scattering in two-dimensional semiconductors
Phys. Rev. B 100, 205401 (2019)
doi: 10.1103/PhysRevB.100.205401

S. Mei, Z. Kochovski, R. Roa, S. Gu, X. Xu, H. Yu, J. Dzubiella, M. Ballauff, Y. Lu
Enhanced Catalytic Activity of Gold@Polydopamine Nanoreactors with Multi-compartment Structure Under NIR Irradiation
Nano-Micro Letters 11, 83 (2019)
doi: 10.1007/s40820-019-0314-9

B. Wegner, L. Grubert, D. Chercka, A. Opitz, A. Röttger, Y. Zhang, S. Barlow, S. R. Marder, S. Hecht, K. Müllen, N. Koch
Predicting the yield of ion pair formation in molecular electrical doping: redox-potentials versus ionization energy/electron affinity
J. Mater. Chem. C 7, 13839 (2019)
doi: 10.1039/C9TC04500G

M. Selig, F. Katsch, S. Brem, G. F. Mkrtchian, E. Malic, A. Knorr
Quenching of Intervalley Exchange Coupling in the Presence of Momentum-Dark States in TMDCs
arXiv: 1908.11178v1

S. Brem, A. Ekman, D. Christiansen, F. Katsch, M. Selig, C. Robert, X. Marie, B. Urbaszek, A. Knorr, E. Malic
Phonon-assisted Photoluminescence from Dark Excitons in Monolayers of Transition Metal Dichalcogenides
arXiv: 1904.04711v1

J. Ren, S. Franke, A. Knorr, M. Richter, S. Hughes
Efficient near-field to far-field transformations for quasinormal modes of optical cavities and plasmonic resonators
arXiv: 1912.08309

J. Kim, A. Gulans, C. Draxl
Work-function modification of PEG(thiol) adsorbed on the Au(111) surface: A first-principles study
arXiv: 1911.12165

M. Selig, F. Katsch, R. Schmidt, S. Michaelis de Vasconcellos, R. Bratschitsch, E. Malic, A. Knorr
Ultrafast dynamics in monolayer transition metal dichalcogenides: Interplay of dark excitons, phonons, and intervalley exchange
Phys. Rev. Research 1, 022007(R) (2019)
doi: 10.1103/PhysRevResearch.1.022007

F. Intravaia, M. Oelschläger, D. Reiche, D. A. R. Dalvit, and K. Busch
Quantum Rolling Friction
Phys. Rev. Lett. 123, 120401 (2019)
doi: 10.1103/PhysRevLett.123.120401

S. Park, T. Schultz, X. Xu, B. Wegner, A. Aljarb, A. Han, L.-J. Li, V. C. Tung, P. Amsalem, N. Koch
Demonstration of the key substrate-dependent charge transfer mechanisms between monolayer MoS2 and molecular dopants
Communications Physics 2, 109 (2019)
doi: 10.1038/s42005-019-0212-y

G. F. Mkrtchian, A. Knorr, M. Selig
Theory of second-order excitonic nonlinearities in transition metal dichalcogenides
Phys. Rev. B 100, 125401 (2019)
doi: 10.1103/PhysRevB.100.125401

D. Nabok, B. Höffling, C. Draxl
Energy-Level Alignment at Organic/Inorganic Interfaces from First Principles: Example of Poly(para-phenylene)/Rock-Salt ZnO(100)
Chem. Mater. 31, 7143 (2019)
doi: 10.1021/acs.chemmater.9b01802

C. Vorwerk, B. Aurich, C. Cocchi, C. Draxl
Bethe-Salpeter equation for absorption and scattering spectroscopy: Implementation in the "exciting" code
Electron. Struct. 1, 037001 (2019)
doi: 10.1088/2516-1075/ab3123

S. Vempati, L. Bogner, C. Richter, J.-C. Deinert, L. Foglia, L. Gierster, J. Stähler
Photoexcited organic molecules en route to highly efficient autoionization
arXiv: 1911.04333

V. C. Nikolis, A. Mischok, B. Siegmund, J. Kublitski, X. Jia, J. Benduhn, U. Hörmann, D. Neher, M. C. Gather, D. Spoltore, K. Vandewal
Strong light-matter coupling for reduced photon energy losses in organic photovoltaics
Nature Communications 10, 3706 (2019)
doi: 10.1038/s41467-019-11717-5

H. Qiu, Y. Zhao, Z. Liu, M. Herder, S. Hecht, P. Samorì
Modulating the charge transport in two-dimensional semiconductors via energy level phototuning
Adv. Mater. 31, 1903402 (2019)
doi: 10.1002/adma.201903402

A. Eljarrat, C. T. Koch
Design and application of a relativistic Kramers-Kronig analysis algorithm
Ultramicroscopy 206, 112825 (2019)
doi: 10.1016/j.ultramic.2019.112825

P. Caprioglio, M. Stolterfoht, C. M. Wolff, T. Unold, B. Rech, S. Albrecht, D. Neher
On the Relation between the Open‐Circuit Voltage and Quasi‐Fermi Level Splitting in Efficient Perovskite Solar Cells
Advanced Energy Materials 9, 1901631 (2019)
doi: 10.1002/aenm.201901631

M. Stolterfoht, P. Caprioglio, C. M. Wolff, J. A. Márquez, J. Nordmann, S. Zhang, D. Rothhardt, U. Hörmann, A. Redinger, L. Kegelmann, S. Albrecht, T. Kirchartz, M. Saliba, T. Unold, D. Neher
The impact of energy alignment and interfacial recombination on the internal and external open-circuit voltage of perovskite solar cells
Energy Environ. Sci. 12, 2778 (2019)
doi: 10.1039/c9ee02020a

S. Hughes, S. Franke, C. Gustin, M. K. Dezfouli, A. Knorr, M. Richter
Theory and Limits of On-Demand Single-Photon Sources Using Plasmonic Resonators: A Quantized Quasinormal Mode Approach
ACS Photonics 6, 2168 (2019)
doi: 10.1021/acsphotonics.9b00849

R. Schlesinger, F. Bussolotti, J. Yang, S. Sadofev, A. Vollmer, S. Blumstengel, S. Kera, N. Ueno, N. Koch
Gap states induce soft Fermi level pinning upon charge transfer at ZnO/molecular acceptor interfaces
Phys. Rev. Materials 3, 074601 (2019)
doi: 10.1103/PhysRevMaterials.3.074601

S. Caicedo-Dávila, H. Funk, R. Lovrinčić, C. Müller, M. Sendner, O. Cojocaru-Mirédin, F. Lehmann, R. Gunder, A, Franz, S, Levcenco, A. V. Cohen, L. Kronik, B. Haas, C. T. Koch, D. Abou-Ras
Spatial Phase Distributions in Solution-Based and Evaporated Cs–Pb–Br Thin Films
J. Phys. Chem. C 123, 17666 (2019)
doi: 10.1021/acs.jpcc.9b02567

K.-W. Lau, C. Cocchi, C. Draxl
Electronic and optical excitations of two-dimensional ZrS2 and HfS2 and their heterostructure
Phys. Rev. Materials 3, 074001 (2019)
doi: 10.1103/PhysRevMaterials.3.074001

Zuletzt aktualisiert 2021-16-06 um 16:36