Organische Halbleiter

Elektronik zum Verbiegen

Von Uta Bilow
23.07.2021
, 18:57
Spektakuläre Ansichten des Universums, projiziert von mehr als  zweihundert hochauflösenden  OLED-Bildschirmen
Organische Halbleiter sind auf dem Vormarsch. Sie bilden die Grundlage biegsamer Displays und Solarzellen. Nun erobern sie High-Tech-Anwendungen, die dem sprödem Silizium verwehrt sind.

Das Silicon Valley in Kalifornien ist nach wie vor der bedeutend­ste High-Tech-Standort weltweit. Seit den Siebzigerjahren haben sich im Santa-Clara-Tal unweit von San Francisco Halbleiterhersteller, Elektronikkonzerne und Computerunternehmen sowie innovative Start-ups angesiedelt. Der Name der Region beruht auf dem Grundmaterial für die klassische Mikroelektronik und jedes Computers, dem Halbleiter Silizium. Doch den klassischen Halbleitern ist in den vergangenen Jahren mächtige Konkurrenz erwachsen: organische Moleküle mit halbleitenden Eigenschaften. Diese Materialien ermöglichen Anwendungen, die dem spröden und starren Silizium und den verwandten Substanzen wie Germanium und Galliumarsenid verwehrt sind: großflächige und biegsame Bildschirme und Photovoltaik-Bauteile, intelligente Etiketten und Textilien oder Sensoren, die sich an die Haut anpassen.

Halbleitende Kunststoffe wurden erstmals genauer untersucht, als das Silicon Valley gerade an Fahrt aufnahm. Inzwischen haben sie längst das Laborstadium verlassen und sind in vielen Anwendungen anzutreffen. Organische Leucht­dioden (OLEDs) und organische Solarzellen waren die ersten kommerziellen Produkte. Wie Silizium können die organischen Halbleiter, die aus mehreren dotierten Schichten aufgebaut sind, Licht in elektrische Energie oder elektrische Energie in Licht umwandeln. Der Mechanismus ist dabei der gleiche: Photonen erzeugen in dem Material Elektronen und positiv geladene Löcher und umgekehrt. Was die organischen Bauteile ihren anorganischen Pendants allerdings voraushaben: Sie lassen sich schnell und preisgünstig als dünne Schicht auf großen Flächen aufbringen. Infrage kommen Glas, Folie, Papier und Textilen. Das hat neue Anwendungen ermöglicht, etwa aufrollbare Lichtquellen oder durchsichtige Solarfolien, mit denen etwa Fensterscheiben beklebt und so als Stromquellen genutzt werden können.

Schnelle organische Elektronik für neue Display-Technik

An der Technischen Universität Dresden werden seit einigen Jahren die Eigenschaften der organischen Halbleiter und deren Anwendungsmöglichkeiten unter anderem von der Arbeitsgruppe um Karl Leo intensiv erforscht. Die Forschungsaktivitäten haben inzwischen eine ganze Reihe von Ausgründungen ermöglicht. Karl Leo, der für sein Lebenswerk kürzlich den Europäischen Erfinderpreis des Europäischen Patentamts erhalten hat, spricht daher gerne vom „Organic Valley“, wenn er das Dresdner Elbtal meint – mit 17 Forschungseinrichtungen und etwa 40 Firmen ist der Standort zum größten Cluster für organische Elektronik in Europa geworden.

Organic Valley in Dresden: Bei Heliatek kommen die organischen Solarzellen von der Rolle.
Organic Valley in Dresden: Bei Heliatek kommen die organischen Solarzellen von der Rolle. Bild: Heliatek

Ein Forschungsschwerpunkt an der TU Dresden liegt derzeit auf dem zentralen Bauelement der Mikroelektronik, dem Transistor. Konventionelle Computerchips aus Silizium weisen eine unübertroffene Integrationsdichte auf: Milliarden von Transistoren werden in Form feinster Strukturen in Siliziumscheiben geätzt. Die Elektronen bewegen sich in nur wenige Nanometer engen vertikalen Kanälen. „Diese Miniaturisierung ist mit Kunststoff wenig sinnvoll, da die Stärken des Materials auf anderen Gebieten liegen, nämlich dort, wo Flexibilität gefragt ist, Transparenz oder biologische Abbaubarkeit“, sagt Leo.

Entscheidend für die Leistungsfähigkeit eines jeden Transistors ist unter anderem, wie schnell er zwischen zwei Zuständen hin- und herschalten kann. Die klassischen Bauteile erreichen Schaltraten von einigen Gigahertz. Diesen Kennwert konnten Leo und seine Kollegen für organische Transistoren in den vergangenen Jahren enorm steigern. Zu verdanken ist das einem neuen Konzept, das auf einem vertikalen Aufbau basiert. Die Komponenten des Transistors – Kollektor, Basis und Emitter — sind schichtweise übereinandergestapelt, und die Elektronen fließen senkrecht durch das Substrat. Diese Architektur nutzt die Vorteile der typischen Herstellungsverfahren – dünne Filme verschiedener organischer Substanzen werden aufgedampft oder aufgedruckt. Das führt zu kurzen vertikalen Kanälen, in denen die Ladungsträger fließen. Auf diese Weise gelang es den Dresdner Forschern zuletzt, sehr hohe Schaltfrequenzen von bis zu 100 Megahertz zu erreichen und die Beweglichkeit der Ladungsträger zu erhöhen. Wie die Forscher in den „Nature Communications“ berichten, haben sie die Transistoren zu logischen Gattern – den elementaren Schaltkreisen jeden ­Mikroprozessors – verknüpfen können.

Äußerst elastisch und leistungsfähig ist dieser vertikale organische Transistor mit einer doppelten Steuerelektrode.
Äußerst elastisch und leistungsfähig ist dieser vertikale organische Transistor mit einer doppelten Steuerelektrode. Bild: TU Dresden

Dass deutlich höhere Schaltraten im Gigahertzbereich möglich sind, haben die Forscher an einer Vielschichtdiode demonstriert . Das Bauteil besteht aus dünnen kristallinen und dotierten Schichten des Kohlenwasserstoffs Rubren. Messungen zeigten, dass die Ladungsträger in den hochkristallinen Material hundertmal so schnell unterwegs sind wie in amorphem organischen Schichten. Das ermöglicht Anwendungen in der drahtlosen Kommunikation.

Das Potenzial der organischen Bauteile ist vielfältig. So haben die Physiker kürzlich eine organische Leuchtdiode mit einem vertikalen organischen Transistor kombiniert, der eine OLED ansteuert. Das neuartige optoelektronische Bauelement, das aus elf dünnen Schichten besteht, leuchtet dank zugesetzter Farbstoffe rot, grün oder blau. Es eignet sich für flexible OLED-Displays mit einem einfachen Pixel-Design.

Freie Radikale steigern die Helligkeit organischer Leuchtdioden

Eine weitere Anwendung der organischen Elektronik sind biokompatible Bauelemente. Diese sogenannten „Lab-on-a-Foil-Systeme“ eignen sich dazu, Körperflüssigkeiten zu analysieren oder Körpersignale zu überwachen. Jüngst haben die Wissenschaftler um Leo demonstriert, wie sich mit organischen Transistoren Herzschlagsignale klassifizieren lassen. Ziel der Untersuchung war es, Herzrhythmusstörungen zu erkennen. Sollte sich das Prinzip als praktikabel erweisen, müssten Patienten künftig für ein Langzeit-EKG keinen sperrigen Rekorder mehr bei sich tragen, stattdessen genügte ein kleines aufgeklebtes Pflaster. Denkbar ist auch, die organische Elektronik zur postoperativen Nachsorge im Körper zu verwenden. In einem gemeinsamen Projekt mit Medizinern von der Universität Rostock untersuchen die Dresdner Forscher, ob mit einer organischen Sensorfolie der Heilungsprozess bei Darmoperationen in vivo überwacht werden kann. Dazu soll in die Naht zwischen den beiden Darmenden organische Elek­tronik integriert werden, die eine gewisse Zeit lang überwacht, ob die Verbindungsstelle hält. Ist die Naht verheilt, wird die Elektronik im Körper rückstandslos abgebaut. Dadurch könnten häufig auftretende lebensbedrohliche Komplikationen in Folge einer undichten Naht vermieden werden.

Organische Leuchtdioden (OLEDs) erstrahlen mittlerweile in allen Farben
Organische Leuchtdioden (OLEDs) erstrahlen mittlerweile in allen Farben Bild: TU Dresden

Zur organischen Elektronik wird auch außerhalb des Organic Valley geforscht. An der Stanford University in Kalifornien etwa entwickeln Forscher um die Polymerchemikerin Zhenan Bao organische Elektronik mit hautähnlichen Eigenschaften. Die Forscher haben jüngst einen elastischen Sensor entwickelt, mit dem man etwa den Spiegel des Stresshormons Cortisols direkt im Schweiß messen kann. Basis für solche Entwicklungen sind dehnbare halbleitende Kunststoffe, die mechanisch sehr robust sind und vielfache Formänderungen ohne Funktionsverlust überstehen. Eine abgestimmte Mischung von Monomeren, die die Anordnung der Polymerketten im Material steuert, erwies sich als Schlüssel zu einem solchen Material, wie Bao und ihre Kollegen in der Zeitschrift „Nature Communications“ berichten.

An der University of Cambridge ist mit Richard Friend ein Pionier der organischen Leuchtdioden aktiv. Er versucht die Helligkeit und Effizienz der Lichtquellen zu verbessern, die außer in Handy-Displays und in vielen Fernsehgeräten auch vereinzelt als Rücklichter hochwertiger PKW genutzt werden. Allerdings lässt die Helligkeit der OLEDs noch immer zu wünschen übrig. Während anorganische Leuchtdioden eine Leuchtstärke von 200 Lumen pro Watt erreichen, kommen die organischen Pendants nur auf 130 Lumen pro Watt. Ein Schlüssel zu helleren OLEDs könnten organische Moleküle mit freien Elektronen sein, sogenannte Radikale. Diese bilden besonders effizient Exzitonen – gebundene Zustände zwischen Elektronen und Löchern –, die, wenn sie zerfallen, Energie in Form von Licht aussenden. In der Zeitschrift „Nature Materials“ haben Friend und seine Kollegen kürzlich eine rote OLED vorgestellt, die auf einer ­radikalischen Substanz basiert und eine hohe Photolumineszenz-Quantenausbeute aufweist. 90 Prozent der in der Leuchtdiode erzeugten Photonen werden freigesetzt. Zum Vergleich: Herkömmliche OLEDs erreichen um die 20 Prozent.

Die Liste an Anwendungen für die organische Elektronik ist lang. Dazu gehören mittlerweile auch intelligente Label, die sensible Produkte wie Lebensmittel oder Medikamente schützen oder deren Logistik erleichtern, ebenso gedruckte Batterien, Solarmodule von der Rolle oder großflächige Sensoren. Da die Rohstoffe und Herstellungsprozesse preiswert sind und dazu eine große Vielfalt an organischen Molekülen zur Verfügung steht, ist zu erwarten, dass weitere Produkte mit völlig neuen Funktionalitäten den Markt erobern werden.

Quelle: F.A.Z.
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