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Organische Elektronik

Wiederholeinheit des Polymers Poly(3-hexylthiophen)

Wiederholeinheit des Polymers
Poly(3-hexylthiophen)

Molekülstruktur von Pentacen (kleines Molekül)

Molekülstruktur von Pentacen (kleines Molekül)

OTFT_Input

Eingangskennlinie eines OTFTs

Der Begriff der organischen Elektronik beschreibt die Realisierung elektronischer Bauelemente, wie Transistoren und Leuchtdioden, auf der Basis halbleitender organischer Verbindungen. Diese organischen Verbindungen gehören den Kohlenwasserstoffen an. Solchen Verbindungen würde man erfahrungsgemäß keine besonderen elektronischen Eigenschaften zuordnen, denn man verbindet organische Stoffe wohl eher mit Erdöl, Plastiktüten und beispielsweise Zucker. Seit den frühen 1970er Jahren weiß man aber, dass eine besondere Klasse der langkettigen Kohlenwasserstoffverbindungen, die so genannten konjugierten Polymere, den elektrischen Strom leiten können. Seitdem wird an leitenden und halbleitenden organischen Verbindungen intensiv geforscht. Im Jahre 2000 wurde sogar der Nobelpreis für Chemie für die Entdeckung und Entwicklung leitfähiger Polymere vergeben.

Heute kennt man zwei Klassen konjugierter Kohlenstoffverbindungen, die als Leiter und Halbleiter eingesetzt werden können: Polymere und die so genannten kleinen Moleküle. Als Beispiel sind die Verbindungen Poly(3-hexylthiophen) und Pentacen zu nennen, die als Halbleiter in organischen Dünnschichttransistoren eingesetzt werden. Beispiele für organische Leiter sind die Polymere PEDOT und PANI, sie können in der Displaytechnologie in Pixelelektroden und als Leiterbahnen verwendet werden. Diese Stoffe haben gemein, dass ihre Kohlenstoffatome abwechselnd doppelt gebunden sind. Quantenphysikalisch spricht man hierbei von der Bildung eines π-Elektronensystems, was der Überlappung von Molekülorbitalen entspricht. Innerhalb dieses π-Elektronensystems können sich Elektronen quasifrei bewegen, was die Voraussetzung für den Stromtransport innerhalb dieser Moleküle ist.

Foliensubstrat

Foliensubstrat mit Testtransistoren und druckbare Halbleiterlösung

In jüngster Zeit fallen in den verschiedenen Medien oft die Schlagworte Plastikelektronik oder Wegwerfelektronik. Man versteht dabei die Herstellung elektronischer Schaltungen und Anzeigen auf flexiblen Foliensubstraten, beispielsweise RFID-Tags oder intelligente Produktinformationen, etwa auf Milchtüten oder Medikamentenverpackungen. Dies wird erst durch die organische Elektronik ermöglicht, wie folgende Aufstellung der wichtigsten Merkmale zeigt.

  • Foliensubstrate erlauben nur einen sehr eingeschränkten, niedrig liegenden Temperaturbereich für die Herstellungsprozesse. Etablierte Prozesse basierend auf Dünnschichtsiliziumtechnologien erfüllen diese Anforderungen in der Regel nicht, da unter anderem die Prozesstemperaturen relativ hoch sind.
  • Viele organische Verbindungen eignen sich gut zur Herstellung flexibler Elektronik, da vor allem Polymere selbst flexibel sind und unter Durchbiegung nicht verspröden.
  • Organische Elektronik kann potentiell massenhaft sehr günstig hergestellt werden, da auf einfache und technologisch weniger aufwendige Herstellungsprozesse zurückgegriffen werden kann. Im Gegensatz zu vakuumbasierten Abscheideverfahren für Silizium (Chemische Gasphasenabscheidung, CVD) können viele organische Halbleiter und Dielektrika mithilfe verschiedener Druckverfahren oder durch Aufschleudern direkt aus einer Lösung abgeschieden werden. Erklärtes Ziel ist es, sogar auf kostenintensive Lithographieverfahren zur Strukturierung der Schichten zu verzichten.
AMOTFT_Glas

AM-OTFT-PDLC-Anzeige auf Glassubstrat

Flüssigkristallanzeige mit polymerer Elektrode aus PEDOT

Flüssigkristallanzeige mit polymerer Elektrode aus PEDOT

Aktiv-Matrix Anzeigen mit organischen Dünnschittransistoren

Da mit halbleitenden organischen Verbindungen organische Dünnschichttransistoren (OTFTs) auf verschiedenen Substratmaterialien realisiert werden können, ist es möglich diese für Aktiv-Matrix Anzeigen einzusetzen. Am IGM wurde ein PDLC (polymer dispersed liquid crystal) Display mit einer Ansteuermatrix aus Pentacen-basierten OTFTs gefertigt. Bei der Herstellung wurde besonders darauf geachtet, dass die verschiedenen Prozesschritte auch für die Fertigung von Anzeigen auf flexiblen Substratmaterialien geeignet sind. Dies erfordert niedrige Prozesstemperaturen und eine sorgfältige Auswahl der Prozesschemikalien, da die flexiblen Substrate ebenso wie die organischen Halbleiter selbst leicht beschädigt werden können.

Gedruckte organische Schaltungen

Aktuell ist das Institut an einem Projekt zur Entwicklung gedruckter organischer Ansteuerschaltungen für Anzeigen beteiligt. Es ist das Ziel, diese Schaltungen mit einer CMOS-analogen Technologie, also unter Verwendung sowohl p- als auch n-halbleitender organischer Verbindungen herzustellen. Dadurch lassen sich energiesparende Schaltungen realisieren, was für zukünftige Anwendungen, etwa intelligente Preisschilder, sehr wichtig ist, da diese in der Regel nur über eine beschränkte Energieversorgung verfügen können. Das Projekt Kosadis ist Teil des BMBF-geförderten Spitzenclusters Forum Organic Electronics in der Metropolregion Rhein-Neckar.

Am Institut werden zur Realisierung dieser gedruckten Schaltungen die notwendigen Prozesse zur Herstellung der Transistoren entwickelt. Hierzu werden neuartige organische Halbleiter, die unempfindlich gegenüber atmosphärischer Luft sind, in Lösung gebracht und mittels eines Tintenstrahldruckers verarbeitet. Die hergestellten Bauelemente werden durch elektrische Messungen charakterisiert. Die daraus gewonnenen Daten werden verwendet, um Simulationsmodelle zu entwerfen, die das Verhalten der Transistoren vorhersagen können. Damit lässt sich die Entwicklung komplexer Schaltungen vereinfachen und beschleunigen. Die Schaltungen sollen zur Ansteuerung von elektrophoretischen und elektrochromen Anzeigen verwendet werden.