Ein Flachbildschirm, der sich aufrollen und in die Jackentasche stecken lässt – nur eine Utopie? Nein, denn organische Transistoren, die sich auch auf flexiblen Oberflächen wie etwa Kunststofffolien, aufbauen lassen, könnten dies bald ermöglichen. Doch bislang verbrauchten solche organischen Transistoren gegenüber herkömmlichen Silizium-Transistoren zu viel Energie. Nun haben jedoch Wissenschaftler erstmals organische Elektronikbauteile entwickelt, die sich durch kleine Versorgungsspannungen und geringe Leistungsaufnahme auszeichnen.
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Wie die Wissenschaftler des Stuttgarter Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung und der Universitäten Stuttgart und Erlangen in der aktuellen Ausgabe von Nature berichten, lassen sich diese neuen organischen Elektronikbauteile mit deutlich niedrigeren Spannungen betreiben als bisher bekannte organische Schaltkreise – Spannungen, wie sie gewöhnliche Haushaltsbatterien von 1.5 bis 3 Volt liefern.
Isolatoren und Energiesparer
Um dieses Ziel zu erreichen nutzten die Forscher zwei Prinzipien: Zum einen verwendeten sie für den Transistor selbst organisierende organische Monoschichten als Isolator. Als solche Schicht lagern sich bestimmte organische Verbindungen unter speziellen Bedingungen auf einem oberflächenaktiven Substrat an. Die Schicht besteht nur aus einer Lage der organischen Moleküle, ist also weniger als 3 nm dick. Eine solche Monoschicht senkt die Betriebsspannung des Transistors, da diese direkt von der Dicke des Isolators abhängt.
Zum anderen verknüpften die Wissenschaftler p-Kanal-Transistoren und n-Kanal-Transistoren zu komplementären Schaltkreisen. Bisher wurden organische Schaltkreise meist in Form unipolarer Schaltungen realisiert, die nur aus Transistoren eines Typs – entweder p-Kanal oder n-Kanal – bestehen. In einem solchen unipolaren Schaltkreis fließt ständig ein unerwünschter Querstrom, während bei der komplementären Bauweise jeweils einer der beiden Transistoren den Stromfluss sperrt – eine Möglichkeit, um Energie zu sparen.
Komplementäre Schaltungen als Schlüssel
„Komplementäre Schaltungen sind in der Siliziumtechnologie seit 25 Jahren Standard“, erklärt Hagen Klauk vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung. „Wir glauben, dass auch die organische Elektronik von den Vorteilen komplementärer Schaltungstechnik profitieren kann. Und durch die Kombination mit selbst organisierenden organischen Monoschichten konnten wir die Versorgungsspannung auf das Niveau kleiner Batterien senken“, so Hauk.
Die Wissenschaftler stellten dazu organische Feldeffekttransistoren auf einem Glassubstrat her. Ein Feldeffekttransistor hat drei Anschlüsse – Gate, Source und Drain. Abhängig von der Spannung am Gate fließt von der Source- zur Drain-Elektrode ein Strom durch den Ladungsträgerkanal, der im Halbleiter gebildet wird. Als Halbleiterschicht verwenden die Wissenschaftler die luftstabilen organischen Verbindungen Pentacen und Hexadecafluoro-Kupferphthalocyanin. Zwischen dem Gate und der Halbleiterschicht befindet sich ein Isolator, in diesem Fall eine sehr dünne selbst organisierende Monoschicht. Für die Gate-Elektrode setzen die Wissenschaftler Aluminium ein. Indem sie Aluminium in einem definierten Muster auf das Glassubstrat aufbrachten, konnten sie eine große Anzahl von Transistoren gleichzeitig realisieren – das ermöglichte die Konstruktion komplementärer Schaltkreise.
Die Forscher stellten unterschiedliche elektronische Schaltkreise her, nämlich komplementäre Inverter, NAND-Gatter und Ringoszillatoren. Und was besonders wichtig ist: Die verwendeten Materialien erlauben es, die Transistoren und Schaltungen bei Temperaturen bis maximal 90 Grad Celsius herzustellen. Eine solche für Elektronik-Bauteile relativ niedrige Temperatur ist nötig, falls man auf flexible und transparente Kunststoffe als Substrat umsteigen will. Die Wissenschaftler demonstrierten, dass sich ihre Methode auch dafür eignet: Sie verwendeten den Kunststoff Polyethylennaphtalat (PEN), um darauf solche Transistoren aufzubauen. Hagen Klauk erläutert, warum das von Vorteil wäre: „Silizium-Transistoren benötigen ein Substrat, das die hohen Temperaturen bei der Herstellung des Transistors verträgt. Demgegenüber können organische Transistoren bei Temperaturen unter 100 Grad Celsius hergestellt werden – man kann also Kunststoffe als Substrat verwenden. Diese sind flexibel und dennoch widerstandsfähig.“ Organische komplementäre Schaltkreise könnten somit überall dort zum Einsatz kommen, wo Produkte gleichzeitig robust und mobil sein sollen – zum Beispiel in einem tragbaren, batteriebetriebenen Flachbildschirm.
(Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, 16.02.2007 – AHE)
