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ETH Zürich entwickelt stabile, polymerartige Halbleiter

Zusammenarbeit mit Universität von Cambridge

Leichte, zusammenrollbare Plastikdisplays sind eine Vision, die mit organischen polymeren Halbleitern zwar Wirklichkeit werden sollen; die in Entwicklung befindlichen Materialien sind allerdings noch nicht stabil und verarbeitbar genug. Forschende der Abteilung Materialwissenschaft der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) Zürich wollen im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit nun stabile Feldeffekt-Transistoren auf Basis polymerartiger Werkstoffe entwickelt haben, die dieses Problem lösen könnten.

Die Massenproduktion preiswerter elektronischer Bauteile aus Kunststoff ist den Forschern zufolge schon lange ein Bedürfnis. Um dieses Ziel zu erreichen, habe sich die Forschung während zwei Jahrzehnten auf organische polymere Halbleiter gestützt. Solche Materialien müssten 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 bisher jedoch nicht, heißt es in einer ETH-Pressemitteilung.

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Mikroskopaufn. vom kristallisierten Film des neuen Materials zwischen gekreuzten Polarisatoren
Mikroskopaufn. vom kristallisierten Film des neuen Materials zwischen gekreuzten Polarisatoren

Dr. Walter Caseri und seinem Team der Gruppe Polymertechnologie, die von Professor Paul Smith der Materialwissenschaft-Abteilung geleitet wird, soll es nun gelungen sein, 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 dabei sei die besondere Auswahl der organischen "Umhüllungs"-Komponente gewesen. Sie diene zwei Zwecken: Einerseits reguliert sie den Abstand zwischen den Platin-Atomen und damit die elektrische Leitfähigkeit des Platinstabes. Andererseits erhöht sie die Löslichkeit der Platinstäbe und ermöglicht dadurch ihre Verarbeitung in gewöhnlichen organischen Lösungsmitteln.

Die polymerartigen Materialien können laut ETH ohne besondere Vorkehrungen an der Luft zu Fasern versponnen oder zu Filmen verarbeitet werden. In Zusammenarbeit mit der britischen Universität von Cambridge zeigte sich, dass sich solche Filme zur Herstellung von Feldeffekt-Transistoren (FET's) eignen, die eine außergewöhnliche Stabilität aufweisen würden. Nach sechs Monaten Lagerung an der Luft und Tageslicht bzw. zwölf oder mehr Stunden in heißem Wasser bei 90 Grad Celsius sollen sich die elektrischen Kennwerte der Transistoren kaum reduziert haben.

Laut ETH könnte dies den Weg für die Entwicklung von verarbeitbaren, stabilen chemischen Strukturen ebnen, die als entscheidende elektronische Komponenten im Bildschirm- und Anzeigenbereich geeignet sind. Trotz des Platin-Anteils seien 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", so die ETH.


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