ETH-Forschende entwickeln stabile, polymerartige Halbleiter

Die Zeitung jederzeit aktuell auf einem papierähnlichen Monitor lesen? Den Bildschirm zusammenrollen und in die Tasche stecken? Seit den 80er Jahren wird oft gesagt, dass diese Visionen dank organischen polymeren Halbleitern „bald“ Wirklichkeit werden.

Die benötigten stabilen und verarbeitbaren Materialien fehlten aber. Im Rahmen einer breiten internationalen Zusammenarbeit gelang es nun ETH-Forschenden des Departements Materialwissenschaft, stabile Feldeffekt-Transistoren auf Basis polymerartiger Werkstoffe zu entwickeln.

Die Massenproduktion preiswerter elektronischer Bauteile aus Kunststoff ist schon lange ein Bedürfnis. Um dieses Ziel zu erreichen, hat sich die Forschung während über zwei Jahrzehnten auf organische polymere Halbleiter abgestützt. Solche Materialien müssen aber nicht nur gut verarbeitbar, sondern auch während der Fabrikation und des Gebrauchs stabil gegen Luft, Wasser und Lichteinstrahlung sein. Nahezu alle organischen Polymere und Oligomere, die für entsprechende Anwendungen ins Auge gefasst wurden, erfüllten diese Bedingungen nicht.

Altes Prinzip, neue Lösung

Dr. Walter Caseri und seinem Team der Gruppe Polymertechnologie, die von Professor Paul Smith am Departement Materialwissenschaft geleitet wird, ist es nun gelungen, anorganisch/organische Hybrid-Verbindungen herzustellen, die sich in einer polymerartigen, quasi-eindimensionalen supramolekularen Struktur anordnen. Diese Verbindungen bilden einen Platinstab von atomarem Durchmesser, der von einer molekularen Hülle aus organischer Substanz umgeben ist. Die Grundstruktur wurde bereits 1828 von Heinrich Gustav Magnus entwickelt, doch war dieses Material mit gebräuchlichen Methoden nicht zu verarbeiten. Dem Forscher Team der ETH Zürich gelang es nun, durch eine chemische Modifikation dieses Werkstoffs die nötige Verarbeitung mit konventionellen Methoden zu erhalten. Entscheidend war dabei die besondere Auswahl der organischen „Umhüllungs“-Komponente. Sie dient zwei Zwecken: Einerseits reguliert sie den Abstand zwischen den Platinatomen und damit die elektrische Leitfähigkeit des Platinstabes. Andererseits erhöht sie die Löslichkeit der Platinstäbe und ermöglicht dadurch ihre Verarbeitung in gewöhnlichen organischen Lösungsmitteln.

Hohe Stabilität und elektrische Leitfähigkeit

Die polymerartigen Materialien können ohne besondere Vorkehrungen an der Luft zu Fasern versponnen oder zu Filmen verarbeitet werden. In intensiver Zusammenarbeit mit der Universität von Cambridge (UK) zeigte sich, dass sich solche Filme zur Herstellung von Feldeffekt-Transistoren (FET’s) eignen, die eine aussergewöhnliche Stabilität aufweisen. Nach sechs Monaten Lagerung an der Luft und Tageslicht bzw. zwölf oder mehr Stunden in heissem Wasser bei 90°C haben sich die elektrischen Kennwerte der Transistoren kaum reduziert.

Durchbruch für Plastik-Bildschirme

Das aufgezeigte Prinzip, könnte den Weg für die Entwicklung von verarbeitbaren, stabilen chemischen Strukturen ebnen, die als entscheidende elektronische Komponenten im Bildschirm- und Anzeigenbereich geeignet sind. Trotz des Platinanteils sind sie nicht nur sehr viel günstiger, sondern auch biegsam und zusammenfaltbar. Damit wird es möglich sein, die Tageszeitung online über einen flexiblen Bildschirm zu lesen. Auch das Anbringen von Minianzeigen und Sicherheitsmerkmalen an Verpackungen, die wichtige Kundeninformationen enthalten, wäre kostengünstig realisierbar.