Durch geeignete Kombination zweier oder mehrerer organischer Moleküle können spezielle Kristallstrukturen entstehen, die zur Ausbildung von konjugierten Ladungssystemen führen. Hierdurch kann eine mit Metallen vergleichbare elektrische Leitfähigkeit erreicht werden. Durch gezielte Variation der chemischen Substituenten bietet sich eine Vielzahl an Möglichkeiten, die elektronischen Eigenschaften zu modifizieren und neue Verbindungen zu synthetisieren. Schon geringe Änderungen können dabei sehr großen Einfluss auf das physikalische Verhalten organischer Moleküle haben.
Ein Beispiel für ein solches Molekülsystem sind Ladungstransfersalze. Diese sind aus zwei unterschiedlichen Molekülen aufgebaut, zwischen denen ein Ladungsaustausch stattfindet. Voraussetzung für die Bildung eines solchen Komplexes ist eine geringe Ionisierungsenergie des einen Moleküls (Donor), sowie eine hohe Elektronenaffinität des anderen Moleküls (Akzeptor), so dass ein Elektronentransfer zwischen den Molekülen stattfinden kann.
Durch das Zusammenfügen von Donor und Akzeptor kommt es zur teilweisen Entvölkerung voll besetzter Elektronenzustände, die zur elektronischen Leitfähigkeit führen können.
Im Rahmen dieses Projektes wird das aus Tetramethoxypyren (TMP) und 7,7,8,8-Tetracyanoquinodimethan (TCNQ) bestehende Ladungstransfersalz TMP-TCNQ mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie untersucht. Durch die Messung differentieller Tunnelleitfähigkeitsspektren werden die relativen Positionen der HOMO und LUMO Zustände relativ zur Fermi-Energie des Metall-Substrates gemessen, die entscheidend für den Elektronentransport durch die Metall-Organik Grenzfläche sind. Abbildung 1 zeigt eine STM-Aufnahme einer Monolage TCNQ auf der Au(111) Oberfläche.
Abbildung 1:
a) STM Aufnahme von TCNQ auf Au(110).
b) Modellannahme der Adsorptionsplätzen der TCNQ-Moleküle auf der Au(111) Oberfläche.
c) Differentielles Tunnelleitfähigkeitsspektrum von TCNQ auf W(110).
Ein weiteres interesantes Beispiel für organische Ladungstransfersalze ist k-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br. Dieser Komplex zeigt unterhalb einer kritischen Temperatur Supraleitung. Mittels Tunnelspektroskopie kann auf einem k-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br-Kristall bei Temperaturen bis 13,32 K eine Energielücke an der Fermienergie beobachtet werden, die bei höheren Temperaturen verschwindet (siehe Abb. 2).
Abbildung 2: Differentielle Tunnelleitfähigkeit von k-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br gemessen bei verschiedenen Temperaturen.
In diesem Forschungsprojekt werden elektronische Korrelationseffekte in organischen Ladungstransfersalzen mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie und Rastertunnelspektroskopie untersucht. Die Temperaturabhängigkeit der Einteilchenzustandsdichte in der Nähe des supraleitenden Phasenübergangs für k-(BEDT-TTF)2Cu[N(CN)2]Br und seine deuterierte Variante wird in einem konstanten Magnetfeld gemessen.